83365264 tractiune electrica curs

142
FACULTATEA DE INGINERIE ÎN ELECTROMECANIC, MEDIU I INFORMATIC INDUSTRIAL TRACIUNE ELECTRIC CURS- FRECVEN REDUS Prof.dr.ing. DORU ADRIAN NICOLA

Upload: sorinarsene

Post on 14-Dec-2014

138 views

Category:

Documents


10 download

TRANSCRIPT

Page 1: 83365264 Tractiune Electrica Curs

FACULTATEA DE INGINERIE ÎN ELECTROMECANICǍ,MEDIU ŞI INFORMATICǍ INDUSTRIALǍ

TRACŢIUNE ELECTRICǍ

CURS- FRECVENŢǍ REDUSǍ

Prof.dr.ing. DORU ADRIAN NICOLA

Page 2: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Capitolul 1

CHESTIUNI INTRODUCTIVE GENERALE DETRACTIUNE ELECTRICA

1.4 COMPUNEREA GENERALA A SISTEMELOR DE TRACTIUNEELECTRICA

Orice vehicul electric motor cu alimentare de la o linie de contact (VEMneautonom) necesita o serie de instalatii proprii care împreuna cu el formeaza unsistem de tractiune electrica (STE).

În fig.1.1 este prezentata compunerea generala a unui STE cu VEM neautonome.În schema generala din fig.1.1 se evidentiaza doua categorii de instalatii si anume:

A. instalatiile fixe siB. instalatiile mobile ale STE.A. Instalatiile fixe ale unui STE cu VEM neautonome, în linii mari contin:- instalatiile de producere, transport si distributie a energiei electrice reprezentate

prin: centrale electrice (CE), statii de transformare ridicatoare de tensiune (STR) si liniielectrice aeriene (LEA) de transport a energiei electrice la înalta tensiune (î.t.).

(Se mentioneaza ca aceste instalatii electroenergetice nu sunt specifice tractiuniielectrice.)

- substatiile de tractiune electrica (SSTE) care contin ansamblul de instalatii siechipamente fixe pentru racordarea la sistemul electroenergetic de î.t. si de adaptarea parametrilor energiei electrice (nivel tensiune, curent, frecventa etc.) din linia decontact (LC) la necesitatile tractiunii electrice;

Fig.1.1 Compunerea generala a unui STE cu VEM neautonome.CE-centrala electrica; STR-statii de transformare ridicatoare; LEA-linii electrice aeriene; SSTE-substatiide tractiune electrica; FA-fideri de alimentare; FÎ-fideri de întoarcere; LC-linie de contact; PS-post de

sectionare; PSS-post de subsectionare; PLP-post de legare în paralel; S(CR/Z)-sina sau calea derulare/zbor; VEM-vehicul electric motor.

1

Page 3: 83365264 Tractiune Electrica Curs

- linia de contact (LC) care este o retea electrica aeriana sau la sol (de c.c. sau dec.a.) construita si amplasata în lungul caii de circulatie si de la care VEM sealimenteaza prin intermediul unei prize alunecatoare de curent (numita si captator sauculegator de curent);

- calea de rulare (sau de zbor) CR/Z ce constituie calea de circulatie a VEM. Eapoate fi metalica (cu sine), din beton sau mixta. La VEM cu aderenta si roti metalicepe sine, în afara rolului de cale de rulare, sinele îndeplinesc si rolul conductorului deîntoarcere al curentului la substatia de tractiune.

În plus, în vecinatatea caii de circulatie, în anumite puncte mai sunt dispuse o serieîntreaga de echipamente fixe de conectare si de comutatie care asigura protectia,exploatarea si întretinerea corespunzatoare a liniei de contact. Principalele elemente deacest tip sunt:

- fiderii de alimentare (FA) ce reprezinta linii electrice aeriene de lungime redusacare servesc la alimentarea cu energie electrica a liniei de contact de la SSTE. (În zonafider se prevede uzual o sectionare simpla-cu lama de aer-a liniei de contact);

- posturile de sectionare (PS) ce se amplaseaza aproximativ la jumatatea distanteidintre doua SSTE consecutive. Ele contin aparate de comutatie si realizeaza fiesectionarea LC fie conectarea longitudinala si/sau transversala a LC. (Postul desectionare din fig.1.1 realizeaza o sectionare cu zona neutra sau "moarta").

- posturile de subsectionare (PSS) semnifica instalatii fixe de comutatie care potrealiza atât sectionarea cât si conectarea longitudinala si/sau transversala a tronsoanelorLC dintre o SSTE si un PS.

- posturile de legare în paralel (PLP) contin echipamentele de comutatie carepermit, în cazul cailor de circulatie duble (cu doua linii de contact) legareasuplimentara în paralel a ramurilor LC dintre o SSTE si un PS atunci când în schemagenerala lipsesc PSS.

- fiderii de întoarcere (FÎ) reprezinta cablurile sau LEA de racord dintre sinametalica a CR (respectiv dintre ramura negativa a LC bifilare de c.c.) si circuitul deforta al SSTE.

Se precizeaza ca orice sistem de tractiune electrica cu VEM neautonome esteconsiderat un consumator de energie electrica de gradul 1 adica nu admite întreruperiîn alimentarea LC decât în cazuri de forta majora. Din acest motiv, substatiile detractiune electrica trebuiesc realizate cu dublu grad de siguranta (cu doua racordurielectrice la sistemul electroenergetic de î.t., cu doua agregate de conversie aparametrilor energiei electrice, unul în functiune si altul rezerva rece integrala, doifideri de alimentare etc.).

B. Instalatiile mobile de tractiune electrica sunt acelea îmbarcate pe VEM.Ele primesc energia electrica de la LC, o proceseaza cu pierderi minime si o distribuiecu parametri corespunzatori motoarelor electrice care o transforma în energie mecanicanecesara deplasarii lor si a vagoanelor pe care le tracteaza.

În concluzie, orice circuit de tractiune este format dintr-o sursa de energie electrica(SSTE) amplasata într-un punct fix, o linie de contact, un vehicul motor alimentat dela LC si un conductor de retur (uzual sinele CR). În plus, acest circuit este lung si sedeformeaza continuu (prin deplasarea VEM).

2

Page 4: 83365264 Tractiune Electrica Curs

1.5 SISTEME DE TRACTIUNE ELECTRICA

Uzual, prin sistem de tractiune electrica se întelege ansamblul de echipamente fixecorespunzatoare felului tensiunii (si al curentului) din linia de contact. De-a lungultimpului s-au propus si s-au dezvoltat urmatoarele sisteme de tractiune electrica:

- sistemul trifazat de frecventa feroviara;- sistemul curentului continuu;- sistemul monofazat de frecventa speciala si- sistemul monofazat de frecventa industriala.Dintre acestea, numai primul nu si-a dovedit viabilitatea. Celelalte trei sisteme de

tractiune electrica sunt utilizate si în zilele noastre.

1.5.1 Sistemul trifazat de frecventa feroviara

A fost primul sistem de tractiune electrica feroviara aplicat în Elvetia si nordulItaliei, în jurul anului 1900, dar a fost repede abandonat din cauza complicatiilor pecare le prezinta linia de contact bifilara (2 faze, a treia faza fiind legata la sina) laîncrucisari si în statii.

Schema de principiu simplificata este reprezentata în fig.1.2.

Fig.1.2 Schema simplificata a sistemului trifazatde frecventa feroviara.

Substatiile de tractiune SSTE erau dotate cu simple transformatoare trifazatecoborâtoare (60/3 kV) care alimentau o linie de contact bifilara iar VEM (locomotiva)necesita doua captatoare de curent în functiune (câte unul pentru fiecare faza, a treiafaza fiind legata la sinele CR) pentru a alimenta motoarele asincrone, trifazate, detractiune.

Locomotivele electrice erau echipate cu doua motoare asincrone trifazate cu rotorulbobinat. Reglarea vitezei (la frecventa fixa) era obtinuta pe cale reostatica combinatacu legarea în cascada a celor doua motoare asincrone cât si prin comutarea numaruluide perechi de poli.

Frecventa speciala de 16 Hz (sau 25 Hz), pe lânga necesitatea instalatiilor siechipamentelor de producere si de transport a energiei electrice asigura avantajullimitarii reactantei liniei de contact si implicit a caderilor de tensiune pe LC. (Deoarececuplul maxim al motoarelor asincrone depinde de patratul tensiunii de alimentare,caderea de tensiune pe LC trebuia redusa la minim ceea ce a condus la amplasarea de

3

Page 5: 83365264 Tractiune Electrica Curs

SSTE la distante mici între ele).Toate aceste neajunsuri au contribuit la abandonarea completa a sistemului trifazat.

1.5.2 Sistemul curentului continuu

A debutat în jurul anului 1900 si s-a afirmat definitiv printr-o mare expansiune înperioada 1920-1939, atât în tractiunea feroviara cât si în tractiunea electrica urbana(tramvai, troleibuz, metrou).

Schema simplificata, de principiu, este reprezentata în fig.1.3.

Fig.1.3 Schema de principiu a tractiunii electrice în c.c.

Alimentarea SSTE se face din sistemul energetic national, în c.a. trifazat la î.t.(LEA de 110 kV).

Substatiile de tractiune electrica (SSTE) realizeaza doua functiuni si anume:- asigura reducerea nivelului tensiunii trifazate la valori acceptabile (cu ajutorul

transformatorului trifazat T) si- realizeaza conversia energiei (din c.a. în c.c.) cu dispozitivul R.Din punct de vedere evolutiv, pentru conversia c.a-c.c. în substatiile de tractiune

electrica au fost utilizate:- convertizoare rotative (cu grup motor c.a.-generator de c.c.);- redresoare polianodice cu vapori de mercur;- redresoare cu ignitroane;- redresoare cu semiconductoare (din anii ’60 cu diode cu siliciu iar ulterior, cu

tiristoare).Recomandarea CEI nr.38 reglementeaza valorile nominale ale tensiunii continue

în LC la nivelele 750-1500-3000V precum si variatia admisa între - 33% si + 20% înraport cu valorile nominale.

Tensiunea de 750V este rezervata pentru transportul urban (tramvai, troleibuz simetrou) iar tensiunile de 1500V si 3000V sunt alocate tractiunii feroviare. Cu toateacestea, în lume exista multe sisteme de tractiune urbana cu tensiunea nominala în LCde 600V c.c.. În plus, sunt în curs studii privind introducerea nivelelor de tensiunicontinue mai ridicate, ca de exemplu 6-12-18 kV.

Situatia actuala a retelelor feroviare electrificate în c.c. se prezinta ca mai jos:a) la 750 V c.c. în Marea Britanie (1960 km) cu alimentare de la a treia sina;

4

Page 6: 83365264 Tractiune Electrica Curs

b) la 1500 V c.c. în Japonia, Franta (5850 km), Olanda etc.c) la 3000 V c.c. în Rusia (27.600 km), Italia (10.500 km), Polonia, Spania (6400

km), Africa de sud, Brazilia, Belgia, Cehia, Slovacia etc.Principalele avantaje ale sistemului de tractiune electrica în c.c. sunt:1. Posibilitatea racordarii directe a SSTE la reteaua trifazata de frecventa

industriala fara a provoca dezechilibre electrice în aceasta si2. Perturbatiile prin inductie electromagnetica pot fi limitate pe baza atenuarii si

absorbtiei armonicilor de curent (prin reducerea continutului armonic al curentului dinLC utilizând filtre absorbante la iesirea din SSTE cu redresoare).

Dintre principalele dezavantaje ale sistemului curentului continuu amintim:1. SSTE sunt mai complicate si deci mai costisitoare;2. Nivelul limitat al tensiunii în LC conduce la curenti mari (pentru o putere data

a VEM) de ordinul kA, în cazul tractiunii feroviare. Aceasta implica:- o sectiune totala a conductoarelor liniei de contact destul de mare (de la 200-300

mm2 pâna la 600-800 mm2);- complicarea suspensiei si a instalatiei de sustinere a liniei de contact;- micsorarea distantei dintre SSTE consecutive pâna la 8-10km în cazul ULC=1500

V si pâna la 20 km în cazul ULC=3000 V, în cazul trenurilor de mare viteza, cu puteriunitare de 8 MW.

3. Coroziunea electrolitica a conductelor metalice subterane (conducte de apa, degaze, de produse petroliere, cabluri electrice, poduri metalice etc.) din vecinatatea caiide circulatie, coroziune provocata de dispersia curentului continuu de întoarcere prinpamânt (datorita curentilor "vagabonzi, de dispersie", care în cele mai defavorabilecazuri, poate atinge 50% din curentul de tractiune).

Pentru diminuarea coroziunii electrolitice, în practica se iau urmatoarele masuri:- eclisarea sinelor caii ferate la joante si efectuarea de conexiuni transversale între

diversele sine ale caii (cu conductori de cupru de 70 mm2) pentru reducerea dispersieicurentului de întoarcere din sine în pamânt si

- utilizarea drenajului electric si a protectiei catodice a retelei metalice subteraneprin care se pot închide curentii vagabonzi de tractiune.

1.5.3 Sistemul monofazat de frecventa speciala

La momentul nasterii tractiunii monofazate (1904) marile retele de distributie aenergiei electrice nu existau înca. Fiecare administratie de cale ferata era propiulproducator de energie, cu libertatea alegerii sistemului si a tensiunii "care-i placeau".

În aceste conditii, la 27 februarie 1902, Emil Huber-Stockar sesizând dificultatileinerente ale tensiunii limitate în cazul sistemului c.c. cât si cele datorate caracteristicilorprea rigide ale motorului asincron trifazat de tractiune la frecventa fixa a avut curajulsa propuna Societatii Inginerilor si Arhitectilor din Zürich sistemul monofazat cutensiunea de 15 kV. Si aceasta într-o epoca în care sistemul c.c. depasea usor 1000 Viar sistemul trifazat se plafonase la 3 kV. Desigur, el avea în vedere conversia la bordullocomotivelor pentru a alimenta motoarele de tractiune (de c.c. serie) prin intermediulunui transformator coborâtor si a unui grup convertizor rotativ monofazat-continuu.

În 1904, Behn-Eschenburg propune eliminarea conversiei monofazat -continuu siutilizarea motorului serie monofazat cu colector ca motor de tractiune. Dar încercarileexperimentale (la 50Hz) n-au fost încununate de succes si aceasta din doua motive:

5

Page 7: 83365264 Tractiune Electrica Curs

- aparitia de perturbatii în retelele de telegrafie si de telefonie;- comutatia dezastruoasa a motorului serie monofazat (cu colector).Problema a putut fi rezolvata numai prin coborârea frecventei. În aceste conditii,

Comisia Federala de studii pentru electrificarea cailor ferate a optat (în 1910) pentrutractiunea în curent monofazat la tensiunea de 15 kV (preconizata de Huber în 1902)dar la o frecventa de 16 Hz, adica o treime (50/3) din cea practicata normal înindustrie, abia nascuta.

La rândul lor, americanii au adoptat cam în aceeasi perioada în tractiuneamonofazata o frecventa relativ joasa si anume 25 Hz.

Sistemul curentului monofazat de joasa frecventa 16 Hz si tensiune 15 kV se aflasi astazi în exploatare în Germania (15.900 km), Elvetia, Austria, Norvegia, Suedia.Din punctul de vedere al alimentarii cu energie electrica de frecventa speciala (16 Hz)al liniei de contact LC exista doua variante. Ele vor fi prezentate pe scurt.

1. Prima varianta are în vedere producerea si transportul energiei electrice directîn c.a. monofazat la 16 Hz, în centrale proprii, aflate în gestiunea administratiilor decale ferata. Schema de principiu simplificata este ilustrata în fig.1.4.

În centralele electrice CE (de tip hidro sau termoelectric), generatoarele sincronemonofazate produc energia electrica monofazata direct la 16 Hz si tensiune de 3-6kV.Statiile de transformare ridicatoare STR, echipate cu tansformatoare monofazate ridicanivelul tensiunii la 60 (110) kV în vederea transportului cu pierderi minime a energieipe LEA (monofazate, la 16 Hz), exclusiv la substatiile de tractiune electrica SSTE.

Ca structura SSTE comporta numai transformatoare monofazate coborâtoare (deex. 110kV/15kV, 16 Hz, unul în functiune si altul de rezerva), fiind cea mai simpla

Fig.1.4 Sistemul curentului monofazat de frecventa specialacu producerea energiei electrice în centrale proprii.

solutie de SSTE.2. În varianta a doua se apeleaza la statii de conversie feroviara SCF, statii care

asigura atât conversia numarului de faze (de la cele trei faze ale sistemului energeticnational la o singura faza necesara tractiunii) cât si a frecventei (de la 50 Hz la 16Hz) ca în fig.1.5.

La sistemul energetic national de î.t. LEA1 (3∼,50 Hz,110 kV) se racordeaza "stat¸iide conversie feroviara" SCF care în esenta sunt compuse din:

- T1, transformator trifazat coborâtor (de ex.110/3 kV);

6

Page 8: 83365264 Tractiune Electrica Curs

- un grup convertizor rotativ MS+GS format dintr-un motor sincron trifazat la50 Hz care antreneaza la turatie constanta un generator sincron monofazat de frecventa16 Hz;

- T2, transformator monofazat ridicator care alimenteaza LEA2, monofazata la î.t.(de ex.110 kV) si frecventa speciala 16 Hz.

Fig.1.5 Sistemul curentului monofazat de frecventa specialacu statii de conversie feroviara (SCF)

Atât linia electrica de transport LEA2 cât si substatiile de tractiune SSTE suntrealizate identic ca în prima varianta.

Exista administratii de cale ferata care au adoptat substatii de tractiune dotateindividual cu grupuri de conversie (de faza si de frecventa) racordate direct la reteauatrifazata de î.t. a sistemului energetic. Numai în tarile scandinavice s-a preferatconcentrarea conversiei într-o singura statie SCF, alimentata direct de la reteauaindustriala trifazata ca în fig.1.5.

Principalele dezavantaje ale sistemului monofazat de frecventa speciala sunt:- necesitatea unui sistem energetic propriu, de frecventa joasa, pentru tractiune (în

varianta 1 sau în varianta 2);- necesitatea unor statii de conversie feroviare SCF relativ complicate, pe suprafete

mari, cu cheltuieli de investitii si de exploatare mari si cu randament scazut;- aparitia de perturbatii electromagnetice asupra liniilor de telecomunicatii din

vecinatatea caii de rulare;- complicatii în ceea ce priveste realizarea instalatiilor de centralizare a statiilor de

cale ferata (deoarece comenzile circuitelor de cale se dau în c.a. si folosesc sinele caiiferate drept conductoare electrice).

Dintre avantajele sistemului monofazat de frecventa joasa amintim:- datorita nivelului ridicat (15 kV) al tensiunii, sectiunea firului liniei de contact

va fi redusa (150-200 mm2) ceea ce conduce la o catenara de constructie usoara si decila un consum mai redus de cupru;

- creste distanta medie dintre SSTE (pâna la 50 km);- prezenta transformatorului coborâtor pe locomotiva (VEM) cât si realizarea

secundarului acestuia cu mai multe trepte de tensiune a permis obtinerea unei mai mari

7

Page 9: 83365264 Tractiune Electrica Curs

elasticitati în exploatare (mai multe caracteristici de tractiune) si în fine- problema alimentarii serviciilor auxiliare (prin prezenta transformatorului) este

mai simplu rezolvata.

1.5.4 Sistemul monofazat de frecventa industriala

Si-a facut timid aparitia, la început în Ungaria (1932) sub impulsul celebruluiinginer Kelemen Kandó. Au urmat intense cercetari în Germania (1935-1936) si înFranta (1948-1951). Rezultatul a fost remarcabil: "tractiunea monofazata la frecventaindustriala era posibila!".

Practic, pentru ca investitiile în instalatiile fixe sa fie cât mai reduse iar cheltuielilede exploatare sa fie cât mai mici, sistemul de electrificare al caii ferate trebuia saîndeplineasca urmatoarele conditii:

- alimentarea substatiilor de tractiune electrica SSTE sa se faca direct din sistemulenergetic national;

- din punct de vedere constructiv SSTE sa fie cât mai simple si- tensiunea în linia de contact sa aiba un nivel cât mai ridicat care sa permita

cresterea distantei dintre SSTE consecutive si o linie de contact de constructie usoara.Toate aceste conditii sunt îndeplinite de sistemul monofazat de frecventa industriala

50(60) Hz cu tensiunea nominala în LC de 25 kV. Schema de principiu a sistemuluide tractiune electrica în c.a. monofazat de frecventa industriala este reprezentata înfig.1.6.

Fig.1.6 Sistemul curentului monofazat de frecventa industriala.

Substatia de tractiune SSTE este echipata numai cu transformatoare monofazate,coborâtoare (de ex. 110/25 kV) alimentate la doua (din cele trei) faze ale sistemuluienergetic national SEN. Secundarul monofazat, este conectat la LC si calea de rularesi alimenteaza linia de contact cu ULC=25 kV la frecventa industriala 50(60)Hz.

În aceasta varianta, SSTE este extrem de simpla din punct de vedere constuctiv sinecesita numai doua transformatoare monofazate (unul în functie si altul de rezerva).

Pentru o încarcare cât mai uniforma a SEN, substatiile monofazate de tractiuneSSTE se conecteaza ciclic la cele trei faze ale SEN si în consecinta, linia de contactLC se prevede, pe fiecare tronson, cu zone moarte. (Reducerea disimetriilor din SENeste asigurata în prezent prin utilizarea în SSTE a câte doua transformatoaremonofazate conectate în V/V).

8

Page 10: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Ca urmare a tensiunii nominale în LC de 25 kV, distanta dintre SSTE (determinatade trafic si de profilul caii ferate) poate ajunge la 60...80 km. Tensiunea în LC nutrebuie sa scada sub 19 kV iar valoarea maxima nu trebuie sa depaseasca cu mai multde 10% tensiunea nominala, adica ULC≤25+2,5=27,5kV.

Sistemul curentului alternativ monofazat de frecventa industriala 50(60)Hz la 25kVa cunoscut o dezvoltare fara precedent dupa anul 1950 în Rusia (26800 km), Franta(6500 km), Japonia, India, Croatia, Serbia, Muntenegru, China, România (∼11000km),Bulgaria, Ungaria, Marea Britanie, Finlanda, Africa de Sud etc. (Aici poate fi inclusasi varianta 2x25kV adoptat la nivelul anilor 1980 în Franta si Japonia).

VEM-uri neautonome din clasa CCa structura, VEM-urile din clasa C (aflate în exploatare) au evoluat, ele putând

fi clasificate principial în patru mari subclase (C1, C2, C3, C4):- clasa C1 (cuprind VEM-uri directe cu MT de c.c. serie si reostat de pornire-

frânare RPF)- clasa C2 (contin VEM cu variatoare statice de tensiune continua VTC si MT de

c.c. cu excitatie Ex serie sau cu excitatie separata-imagine serie);- clasa C3 (cuprind acele VEM cu invertoare de curent IC si MT de c.a. trifazate

de tip asincron MA) si- clasa C4 (formata din acele VEM cu invertoare de tensiune IT si MT de c.a.

trifazate de tip asincron MA).În fig.1.10 se prezinta evolutiv structura VEM-urilor din clasa C.

Reglajul fortei de tractiune se face în trepte (în cazul variantei C1) sau continuu

Fig.1.10 Structura VEM din clasa C.

(la variantele C2, C3 si C4). Astfel de VEM-uri se întâlnesc în exploatare catroleibuze, tramvaie, metrouri sau locomotive si rame electrice (pe liniile magistrale sisecundare electrificate în curent continuu).

9

Page 11: 83365264 Tractiune Electrica Curs

VEM-uri neautonome din clasa APentru liniile de contact de c.a. monofazat de frecventa speciala 16 Hz sau

industriala 50 Hz (linii rezervate exclusiv tractiunii feroviare) s-au construit VEM-uridin clasa A. Ele se numesc locomotive, rame si trenuri electrice si se împart în:

- clasa A1 care cuprinde locomotivele directe, alimentate din LC la 10÷15 kV si16 (25)Hz cu transformator reglabil TR si motoare de curent alternativ monofazat(16 Hz) serie, cu colector;

- clasa A2 care cuprinde locomotivele si ramele electrice de tip monocontinuu cureglaj transformatoric sau de amplitudine (adica cu transformator reglabil TR, redresor

Fig.1.11 Structura locomotivelor din clasa A.

necomandat cu diode RD si motoare de tractiune MT de curent ondulat);- clasa A3 care cuprinde locomotivele si ramele electrice de tip mono-continuu cu

reglaj redresoric sau "de faza" (adica cu transformator T, redresor comandat cutiristoare RT si motoare de tractiune MT de curent ondulat

10

Page 12: 83365264 Tractiune Electrica Curs

- clasa A4 care cuprinde locomotivele de c.a. monofazat cu transformator T,redresor comandat RT, invertor de curent IC si motoare de tractiune de tip sincron MS(functionând în regim autopilotat) si

- clasa A5 care cuprinde locomotivele, ramele si trenurile electrice de c.a.monofazat cu convertor de patru cadrane C4Q, invertoare de tensiune IT si motoare detractiune de tip asincron MA (cu rotorul în scurtcircuit).

Principial, structura locomotivelor din clasa A este prezentata în fig.1.11.Toate locomotivele de c.a. au în componenta lor transformatoare monofazate

coborâtoare cu prize de reglaj (la variantele A1 si A2) sau cu raport de transformarefix (la variantele A3, A4 si A5).

Printr-o alegere corespunzatoare a parametrilor energiei electrice (în lantul detractiune) este posibila construirea de vehicule electrice "policurent" de tipurile: A3-C2;A5-C4 etc.

Si la locomotivele din clasa A reglajul fortei de tractiune se poate face în treptesau continuu. Ultimele constructii de locomotive, rame si trenuri electrice nu suntaltceva decât aplicatii recente ale facilitatilor oferite de progresele electronicii de putere(tiristoare de putere, GTO etc) în domeniul tractiunii.

1.6.2 Vehicule autonome

Sunt acele vehicule electric motoare (VEM) dotate cu surse proprii de energieelectrica precum generatoare electrice (de c.c sau de c.a.) sau baterii de acumulatoare.

În aceasta acceptiune, principalele tipuri de vehicule autonome sunt :- locomotivele diesel-electrice si locomotivele de mina cu acumulatoare ca vehicule

pe cale de rulare ghidata (de tip feroviar) si- electromobilele (automobile electrice, electrocarele, electroutilitarele etc.) ca

vehicule pe cale de rulare neghidata (carosabil).Din punct de vedere energetic, orice VEM autonom poate fi reprezentat prin

schema bloc din fig.1.12.

Fig.1.12 Schema energetica a VEM autonom.

În schimb, schema structurala a VEM autonom depinde de tipul concret al acestuia:(locomotiva diesel-electrica sau electromobil) ca în continuare.

Vehicule diesel-electriceAu aparut cu circa 75 de ani în urma ca locomotive diesel-electrice (LDE).Principial aceste vehicule contin un motor diesel de putere PMD între 700 si 4000

kW de la arborele caruia puterea de tractiune PT (0,88...0,9)PMD este transmisa"atacului de osie " pe cale electrica prin asa numita "transmisie electrica" a puterii.(Diferenta dintre puterea motorului diesel PMD si puterea de tractiune PT reprezinta

11

Page 13: 83365264 Tractiune Electrica Curs

exact puterea necesara serviciilor auxiliare.)Prin urmare, schema structurala generala a oricarui vehicul diesel-electric poate fi

reprezentata ca în fig.1.13.

Fig.1.13 Schema bloc structurala a vehiculelor diesel-electrice.

Transmisia electrica a puterii mecanice de tractiune a motorului diesel va contine(în general) un generator electric, convertoare energetice si motoarele de tractiune.

Pe locomotivele diesel-electrice, transmisiile electrice ale puterii se pot realizapractic în trei variante (fig.1.14) si anume:

1) Transmisia de tip c.c. - c.c. la care atât generatorul G cât si motoarele detractiune MT sunt masini electrice de curent continuu;

2) Transmisia de tip c.a. - c.c. la care generatorul este de c.a. trifazat (G.S.) iarmotoarele de tractiune (MT) sunt de curent continuu.(Aici convertorul energetic esteun redresor trifazat necomandat, cu diode RD.)

3) Transmisia de tip c.a. - c.a. la care generatorul este de c.a. trifazat (G.S.) iar camotoare de tractiune se folosesc motoare asincrone (MA) trifazate în constructie curotor în scurtcircuit. În acest caz convertorul energetic va fi un convertor static detensiune si frecventa variabila format dintr-un redresor trifazat RD si un invertortrifazat de tensiune IT.

Fig.1.14 Schema de principiu a locomotivelor DE cu transmisii1) c.c-c.c., 2) c.a.-c.c. si 3) c.a.-c.a.

12

Page 14: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Prin urmare, stuctura echipamentelor energetice componente ale celor trei tipuri delocomotive diesel-electrice arata ca în fig.1.14.

ElectromobileleAu ca sursa de energie electrica baterii de acumulatoare îmbarcate pe ele iar ca

motoare de tractiune folosesc fie motoare de c.c. cu excitatie serie (sau separataimagine serie) fie motoare de c.a. (de tip asincron sau sincron cu magneti permanenti).Reglajul fortei de tractiune si al vitezei se realizeaza prin comanda convertoruluienergetic (de tip VTC sau invertor de tensiune IT) interpus între sursa de energie simotoarele de tractiune .

Schemele simplificate de principiu ale electromobilelor sunt prezentate în fig.1.15.

Electromobilele si în special automobilele electrice cunosc în prezent o dezvoltare

Fig.1.15 Schemele de principiu ale electromobilelor.

fara precedent (vezi amendamentul California) datorita absentei poluarii mediului.

13

Page 15: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Capitolul 4

PARTEA MECANICA A VEHICULELOR ELECTRICE

4.1.2. Cazul vehiculelor cu aderenta la calea ferata

Din punct de vedere constructiv, cele mai reprezentative vehicule electric motoare(VEM) cu aderenta la calea ferata sunt locomotivele electrice. Celelalte vehiculemotoare de acest tip (ramele electrice, metrourile si tramvaiele) au în general oconstructie si o structura mecanica asemanatoare, dar mult simplificata.

Solutia constructiva cea mai veche si cea mai simpla de vehicul electric motor cuaderenta la calea ferata este cea cu sasiu unic rigid, v. fig.4.3.

Aceasta este compusa,

Fig.4.3 Constructia cu sasiu rigid

în principal, din aparatulde rulare 1 (format dinosii, roti si angrenajeletransmisiei), din sasiul 4 sidin cutia 5.

Sasiul unic 4 sesprijina pe cutiile de capde osie 2 prin intermediulsuspensiei elastice primare3. Cutia (sau caroseria) 5este fixata de sasiu si arela unul sau la ambelecapete posturi de conducere 6.

Distanta "lr" dintre axele osiilor extreme ale aceluiasi aparat de rulare este o cotaimportanta si se numeste "baza rigida" sau "ampatament".

Solutia constructiva cu sasiu unic rigid a fost utilizata în trecut pentru vehiculelede cale ferata de putere mica. Actualmente ea este complet abandonata.

În prezent, solutia constructiva (aproape generalizata) de vehicule de cale ferataeste aceea cu rotile aparatului de rulare grupate pe boghiuri. Schematic, o astfel desolutie constructiva este reprezentata în fig.4.4. Ea este compusa în principal din rotilemetalice 1, din boghiurile 3, din sasiul 6 si din cutia sau caroseria 7.

Prin boghiu de cale ferata 3 se întelege un cadru metalic rigid, independent (culibertate de rotire în plan orizontal fata de cutie), realizat prin sudare din profile deotel. Boghiul se sprijina pe osiile montate (pe cutiile de cap de osie 2) prin intermediulsuspensiilor elastice primare 4 alcatuite din arcuri lamelare, arcuri elicoidale (simplesau duble) si eventual combinatii de arcuri cu blocuri de cauciuc (silentblocuri).

În constructiile uzuale, un boghiu de vehicul de cale ferata poate avea doua pânala patru osii care pot fi toate, sau numai o parte din ele, osii motoare.

Legatura dintre cadrul boghiului 3 si sasiul cutiei 6 se realizeaza printr-un sistemcu pivot central 5 care contine si o serie de suspensii elastice secundare (cu arcuri, cublocuri de cauciuc sau suspensii de tip pneumatic).

14

Page 16: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.4.4 Constructia pe boghiuri a vehiculelor de cale ferata

Cutia 7 este sprijinita pe cadrul sau sasiul 6 al vehicului si are la unul sau laambele capete posturi (sau pupitre) de conducere 8.

La vehiculele în constructie pe boghiuri se definesc în plus cotele (vezi fig.4.4.):- ampatamentul boghiului (sau ampatamentul aparatului principal de rulare) ca

fiind distanta "lB" (dintre axele osiilor extreme ale unui boghiu) si- ampatamentul cutiei ca fiind distanta "lC" dintre axele pivotilor de sprijin ai

cutiei pe boghiuri.

Fig.4.5 Locomotiva electrica cu doua boghiuri si patru osii

Fig.4.6 Tramvai articulat cu trei boghiuri1 = boghiu motor; 2 = boghiu purtator; 3 = frâna electromagnetica cu patina;

4 = reostate de frânare; 5 = pantograf de tip asimetric.

15

Page 17: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Cu titlu de exemplu, în fig.4.5 si în fig.4.6 se prezinta doua tipuri de vehicule decale ferata în constructie pe boghiuri (cu doua si respectiv cu trei boghiuri).

Elementele componente de baza ale unui boghiu motor de tractiune feroviara suntreprezentate schematic în fig.4.7. Acestea sunt descrise mai jos:

Fig.4.7 Structura boghiului motor

1 = cadrul boghiului, realizat în constructie sudata din profile de otel;2 = osie montata (motoare);3 = cutii de cap de osie, numite deseori si cutii de unsoare sau cutii

cu rulmenti;4 = dispozitive de ghidare (glisiere);5 = arcurile suspensiei elastice primare (lamelare sau elicoidale);6 = dispozitive de frânare mecanica (saboti);7 = roata dintata (calata pe osia montata motoare);8 = pinionul de atac (fixat în capul arborelui rotoric al motorului electric

de tractiune);9 = motorul electric de tractiune (amplasat transversal).

Aproximativ aceleasi elemente se regasesc si în constructia boghiului de tramvai,respectiv de metrou. Ca exemplu, în fig.4.8 este reprezentat un boghiu de metrou.

Cutiile de cap de osie (poz.3 în fig.4.7) constituie acele subansambluri care asiguraatât transmiterea sarcinilor verticale ale vehiculului (prin osii) la calea de rulare câtsi transmiterea la cadrul boghiului a fortelor longitudinale (de tractiune si respectiv defrânare), forte care se realizeaza la obada rotilor (motoare si/sau nemotoare).

Între cutiile de unsoare (montate pe capul osiilor) si cadrul boghiului seintercaleaza elementele elastice ale suspensiei primare.

16

Page 18: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.4.8 Boghiu de metrou1 = motor de tractiune; 2 = reductor; 3 = suspensia primara; 4 = suspensia secundara de tip pneumatic; 5= discuri de frânare; 6 = arborii tubulari ai transmisiei elastice; 7 = amortizoare hidraulice;

8 = cilindrii de comanda ai frânei; 9 = frâna electromagnetica cu patina;10 = perii de curatat bandajul rotii.

Din punct de vedere cinematic, cutiile de unsoare reprezinta singurele subansambluricare fac legatura dintre partile (osiile montate) aflate în miscare de rotatie si restulvehicului care efectueaza miscarea utila, de translatie.

Osia montata, fig.4.9 este principalul element care asigura sustinerea, rularea sighidarea vehiculelor pe cele doua sine ale caii. Ea este compusa dintr-o pereche de rotimetalice (confectionate din otel laminat, turnat sau forjat) calate prin presare la recepe o osie metalica, osie prelucrata prin strunjire si realizata din otel laminat.

17

Page 19: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.4.9 Osie montata

Daca osia este motoare, pe corpul ei se caleaza roata dintata de antrenare iar dacaosia este libera, pe corpul ei pot fi calate unul sau doua discuri de frânare (numai lavehiculele echipate cu frâna-disc).

Masa gravitationala suportata si transmisa la sinele de cale ferata de o singura osie(denumita si masa pe osie) depinde de tipul vehiculului si nu trebuie sa depaseascalimita determinata de caracteristicile constructive ale caii ferate (normal 20÷22 t/osieîn cazul cailor ferate principale).

În functie de tipul vehiculelor, masa pe osie poate avea urmatoarele valori uzuale:- 15÷20 t/osie pentru locomotive electrice;- 10÷12 t/osie pentru metrouri;- 6÷9 t/osie pentru tramvaie.Antrenarea mecanica a osiilor motoare poate fi de trei feluri, fig.4.10 si anume:1) antrenarea individuala a osiilor;2) antrenarea în grup a osiilor si3) antrenarea multipla a osiilor.

1) individual 2) în grup 3) multipla

Fig.4.10 Antrenarea mecanica a osiilor motoare.M.T. = motor de tractiune; O = osie montata motoare;

C = roata (coroana) dintata; P = pinion de atac.

În cazul 1, fiecare osie motoare este antrenata de câte un motor de tractiune. Încazul 2, doua (sau trei) osii motoare sunt antrenate de un singur motor de tractiune. Încazul 3, o osie motoare este antrenata de doua motoare (de obicei, de doua rotoare adoua motoare cu statoarele separate, dar ansamblate într-o carcasa unica).

18

Page 20: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Rotiile vehiculelor pe cale ferata sunt metalice si sunt calate câte doua pe fiecareosie. Din punct de vedere constructiv, rotile metalice ale vehiculelor pot fi:

- roti simple (monobloc) si- roti compuse (roti cu bandaj).

Fig. 4.11 Roata cu bandaj.

Rotile cu bandaje, v. fig.4.11 sunt alcatuite din trei parti, specificate mai jos:1 = centrul rotii;2 = bandajul;3 = agrafa sau inelul de siguranta.La orice centru de roata se deosebesc trei zone, si anume:B = butucul rotii;C = partea centrala a corpului rotii;Ob = obada rotii.Partea centrala a rotii poate fi plina, usor ondulata sau cu spite. Bandajul se

freteaza la cald pe periferia corpului rotii (obada) si este executat din otel superior (maidur) rezistent la uzura. Lateral,atât bandajele cât si rotile monobloc sunt prevazute cu"o buza" care asigura ghidarea vehiculului în interiorul celor doua sine ale caii. Laexterior, bandajele (si rotile monobloc) au o suprafata de rulare care se rostogoleste pecalea de rulare. Prin aceasta conceptie a osiei montate a fost posibil ca, în sistemulconventional roata-sina, sa fie realizate viteze care depasesc 500 km/h. La trenurile demare viteza, din motive de siguranta, rotile utilizate sunt de tip monobloc (fara bandaj).

Diametrul rotilor se alege atât în functie de tipul vehiculului electric cât si de masape osie admisa de calea ferata. Numeric, valorile uzuale ale diametrelor rotilor sunt:

- 660÷680 mm în cazul tramvaielor;- 740÷820 mm în cazul metrourilor;- 860÷1040 mm în cazul locomotivelor si al automotoarelor;- 1250 mm în cazul locomotivelor electrice de mare putere (≥ 4500kW).La vehiculele electrice de cale ferata în constructie pe boghiuri, cutia si boghiurile

se constituie ca parti complet separate. Din acest motiv, între cutie si boghiuri seintercaleaza dispozitive speciale care permit atât transmiterea fortelor longitudinale sitransversale cât si rotirea -în planul orizontal- a boghiurilor fata de cutie.

19

Page 21: 83365264 Tractiune Electrica Curs

4.1.2.1. Formula osiilor

În practica internationala se obisnuieste ca un anumit tip constructiv de vehiculelctric motor (VEM) cu aderenta la calea ferata sa fie descris conventional printr-unsimbol care sa precizeze sintetic conceptia prin urmatoarele elemente:

1. Numarul total si tipul osiilor (osii motoare si/sau osii libere);2. Modul de actionare al osiilor motoare si3. Solutia constructiva a vehiculului (pe boghiuri sau cu sasiu unic rigid).Dintre toate codificarile propuse, în continuare vom prezenta numai sistemul de

notare recomandat de U.I.C.. (Union Internationale des Chemins de Fer, cu sediul laParis). Acesta da raspunsurile la întrebarile de mai sus sub forma urmatoarelor reguli:

1.a. Osiile motoare ale oricarui aparat de rulare vor fi notate cu litere latine (cumajuscule). Rangul acestor litere (adica numarul care indica pozitia literei) în alfabetullatin va indica numarul de osii motoare succesive.

(Ex: A = o singura osie motoare; B = doua osii motoare succesive; C = trei osiimotoare succesive etc.).

1.b. Osiile libere ale unui aparat de rulare se marcheaza cu cifre arabe.(Ex: 1 = o osie libera; 2 = doua osii libere succesive etc.).Absenta osiilor libere nu este marcata în nici un fel.2. Osiile motoare pot fi actionate individual sau în grup.Actionarea (sau antrenarea) individuala a osiilor motoare este marcata cu indicele

inferior 0 (zero) atasat literelor majuscule din alfabetul latin. (Ex: B0 = doua osiimotoare succesive cu actionare individuala, C0=trei osii motoare succesive, fiecare osiefiind antrenata individual).

Actionarea în grup a osiilor motoare este precizata prin lipsa (sau absenta) indicelui"zero". (Ex: B=doua osii motoare actionate de acelasi motor de tractiune).

3. Gruparea osiilor (atât a osiilor motoare cât si a osiilor libere) pe boghiuri seindica prin semnul (’) "prim" atasat simbolurilor osiilor respective. (Ex: B’, C’ pentruboghiuri cu osii motoare actionate în grup; B’0, C’0 pentru boghiuri cu osii motoareactionate individual; 2’ pentru boghiuri cu osii libere etc..

Absenta (lipsa) semnului "prim" în simbolizarea osiilor aparatului de rulare indicasolutia constructiva cu sasiu unic rigid.

4. La constructiile pe boghiuri, simbolizarea globala a vehiculului se obtinealaturând formulele boghiurilor componente (ex: BB, Bo’Bo’, Co’Co’ etc.).

5. În cazul unitatilor multipe, a ramelor si a trenurilor electrice, simbolizareaconstructiva se obtine utilizând semnul "+" între formulele constructive ale fiecaruivehicul (activ si pasiv) component.

În continuare se prezinta câteva exemple de simbolizare a vehiculelor electrice:1C1 = vehicul electric motor (locomotiva) cu sasiu unic rigid, cu doua osii libere

(câte una la fiecare capat) si trei osii motoare succesive antrenate în grup;B’B’ = vehicul electric motor în constructie pe boghiuri, cu doua boghiuri identice,

fiecare cu doua osii motoare antrenate în grup;C’0C’0 = vehicul electric motor (locomotiva) cu doua boghiuri identice, fiecare

având trei osii motoare antrenate individual;C’0C’0+C’0C’0 = unitate motoare multipla formata prin cuplarea a doua locomotive

identice de tipul C’0C’0 (fiecare cu doua boghiuri, de tip C’0);B’2’B’ = vehicul electric motor (tramvai) cu trei boghiuri, la capete cu boghiuri

20

Page 22: 83365264 Tractiune Electrica Curs

motoare de tip B’ (fiecare cu câte doua osii motoare antrenate în grup) iar la mijloccu un boghiu purtator cu doua osii libere;

B’0B’0+11x(2’)+B’0B’0 =tren electric în compunere fixa (TGV - A) pe boghiuri,având la fiecare capat câte o unitate motoare de tip B’0B’0, iar între ele 11 boghiuripurtatoare de tip 2’ (cu câte doua osii libere).

Observatii:1. Tinând seama de generalizarea tipului constructiv pe boghiuri, cu antrenarea

individuala a osiilor, în notarea simbolica se tinde spre simplificare (adica se renuntala indicele superior "prim" si respectiv la indicele inferior "zero"). În felul acesta,locomotivele electrice de tipul C’0C’0 apar notate cu CC (ceea ce poate conduce laconfuzii grave !!!).

2. Exista administratii de cale ferata care folosesc notatii simbolice diferite de celerecomandate de U.I.C. Astfel, la S.N.C.F.R., locomotiva electrica de tip C’0C’0 estenotata cu LE 060 EA. Cu toate acestea, constructorii, în cataloagele de firma, suntobligati sa descrie unitatile motoare cu notatiile U.I.C..

4.1.2.2. Vehicule de cale ferata destinate exclusiv transportului de calatori

În tarile dezvoltate, cu centre industrial - comerciale supraaglomerate, au aparuttendinte "de migrare" a populatiei catre împrejurimi, formând asa - zisele "orasesatelit". În plus, o buna parte din mâna de lucru a acestor centre economice esteasigurata de populatia din localitatile învecinate, "prin navetisti".

Aceste aspecte social - economice au condus la nasterea si dezvoltarea unui noutrafic de calatori, de tip suburban, cu perspectiva cresterii continue o data cuintensificarea activitatiilor social - economice din centrele supraaglomerate. În plus,traficul suburban de persoane (navetisti si ocazionali) prezinta o serie de caracteristicispecifice precum:

- are o distributie neuniforma, cu descrestere progresiva de la centru spreperiferie;

- este neuniform pe durata zilei (dimineata este mare spre centru iar dupa-amiazaeste mare în sens invers) cu reducerea traficului în afara orelor de vârf;

- are variatii saptamânale si sezoniere;- este cu opriri dese (cu distanta între statii de 3÷6 km) si de scurta durata;- fluxul de trafic este în sens invers în weekend (fata de cel din zilele de lucru)

etc..O parte din aceste caracteristici sunt comune cu cele ale traficului urban de

persoane. Satisfacerea transportului suburban de persoane cu trenuri cursa remorcatede locomotive diesel sau electrice s-a dovedit pretutindeni total neeficient.

În astfel de situatii s-au impus ramele electrice si trenurile electrice automotoare.Principalele avantaje ale acestora sunt:

- asigura capacitati de transport variabile, dupa necesitatiile momentane aletraficului. (Prin cuplarea sau desfacerea de unitati motoare si de vagoane remorca esteasigurata mentinerea calitativa a parametrilor tehnici precum: acceleratia, deceleratia,viteza, timpii de mers etc.);

- au un consum de energie electrica optim deoarece nu transporta sarcina inutila.(Toate vagoanele, inclusiv vagoanele motoare sunt folosite pentru transportulcalatorilor);

21

Page 23: 83365264 Tractiune Electrica Curs

- sunt reversibile în cea ce priveste sensul de mers pe calea ferata;- poate fi realizata scurtarea timpilor de stationare în statii prin prevederea

comenzii centralizate la închiderea si la deschiderea usilor;- au o fiabilitate sporita; la defectarea unui motor de tractiune sau chiar a unui

vagon motor, vehiculul îsi poate continua mersul pe calea ferata (cu reducereacorespunzatoare a puterii).

Constructii tipiceSpre deosebire de locomotivele electrice si de cele diesel-electrice (destinate

remorcarii trenurilor si care contin numai echipamente energetice), vehicule de caleferata destinate exclusiv transportului de calatori îndeplinesc, în principal, douafunctiuni, expuse mai jos:

1.Transporta calatori în spatiul special amenajat chiar în interiorul cutiei propriu-zise a vehiculului motor si

2. Îsi asigura forta necesara pentru propulsia proprie si eventual a unui vagonremorca.

În concluzie, vehiculele de cale ferata special construite pentru traficul de calatoriau spatiul disponibil pentru amplasarea echipamentelor energetice de tractiune, drasticlimitat. De aici rezulta si capacitatea redusa de remorcare a lor.

Astfel de vehicule sunt folosite în traficul urban si suburban, de suprafata sau însubteran si, în mod uzual, poarta numele de: vagon motor (electric); sectie (sau unitate)de tractiune electrica; de rama electrica si de tren electric automotor. (Structura acestortipuri de vehicule este ilustrata de fig.4.12).

Fig.4.12 Vehicule destinate exclusiv transportului de calatori:1) vagon motor; 2) sectie de tractiune electrica;

3) rama electrica; 4) tren electric

Vagonul motor (electric), v.fig.4.12 poz.1 este acel VEM a carui cutie contine pelânga echipamentul electric de tractiune si spatii pentru calatori.

Limitarea spatiului aferent instalatiilor si echipamentelor de tractiune a condus lareducerea numarului de motoare de tractiune si la amplasarea sub podea a celei maimari parti din instalatiile si agregatele energetice. (Osiile motoare sunt "înnegrite" în

22

Page 24: 83365264 Tractiune Electrica Curs

reprezentarea schematica din fig.4.12).Vagonul motor VM (electric) are, de regula, un singur post de conducere PC.Sectia (sau unitatea) de tractiune electrica reprezinta cel mai mic ansamblu

autonom indivizibil în exploatare, utilizat în transportul de calatori. Sectia de tractiuneelectrica este formata dintr-un vagon motor VM si un vagon remorca VR (fig.4.12,poz.2). Ea este nereversibila din punct de vedere al sensului de mers (are PC numaila un capat). Pentru inversarea sensului de mers are nevoie de bucla de întoarcere.

Rama electrica reprezinta ansamblul de tractiune, în compunere fixa, format princuplarea mai multor vagoane motoare VM si eventual vagoane remorci, cu posturi deconducere la ambele capete. Rama electrica este reversibila din punct de vedere alcirculatiei pe calea ferata. Aceasta presupune asigurarea cablajului electric între celedoua VM pentru posibilitatea conducerii de la oricare din posturile PC.

Trenul electric este definit ca o grupare de doua sau mai multe rame electrice,dupa necesitatile momentane ale traficului, cu posturi de conducere la ambele capete.Si trenul electric este reversibil din punct de vedere al circulatiei pe calea ferata.

Formula osiilor vehiculelor destinate exclusiv transportului de calatori se precizeazadupa aceleasi reguli (întocmai ca în § 4.1.2.1).

4.2.1.4. Solutii actuale de transmisii elastice

Cu rare exceptii, aproape toate vehiculele electric motoare din ultimele generatiisunt construite pe boghiuri (cu motoare complet suspendate). La astfel de vehicule,transmisiile elastice (la antrenarea individuala a osiilor) instalate între anii 1960-2005pot fi clasificate în patru mari categorii si anume:

a) transmisii elastice cu cardan si motor longitudinal;b) transmisii elastice cu cardan liber transversal;c) transmisii elastice cu cardan în interiorul arborelui rotoric gol sid) transmisii elastice cu cardan gol în jurul osiei.Reprezentate schematic, toate aceste variante de transmisii elastice (utilizate la

antrenarea individuala a osiei cu motor complet suspendat) sunt ilustrate în fig.4.25.

Fig.4.25 Solutiile actuale de transmisii elastice.a)cu cardan longitudinal; b)cu cardan transversal;c)cu cardan interior; d)cu cardan în jurul osiei;

k=cuplaj elastic; w=arbore cardanic;

În continuare, vor fi descrise (pe scurt) fiecare din solutiile actuale de transmisiielastice (cu precizarea categoriei de VEM care o utilizeaza).

a) Transmisia elastica cu ax cardanic longitudinalLa aceasta varianta, motorul de tractiune este complet suspendat iar angrenajul

conic (de partea opusa motorului) este nesuspendat, deci solitar cu osia motoare.

23

Page 25: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Arborele cardanic (W) permite atât deplasarile osiei cât si o anumita elasticitate fatade socurile de cuplu.

Solutia cu ax cardanic longitudinal constituie un exemplu tipic de transmisieelastica pentru vehiculele de transport public urban: tramvai, metrou si troleibuz (cazîn care motorul de tractiune este suspendat de sasiu).

b) Transmisia elastica cu ax cardanic liber transversalSe aplica numai daca motorul de tractiune, amplasat transversal, nu este prea mare

(când P≤400kW). În astfel de cazuri, axul cardanic (W) poate avea loc între motor sireductor. Ca exemplu se poate cita transmisia BBC cu cauciuc (cu motor completsuspendat si angrenaj semisuspendat) reprezentata fig.4.26.

Fig.4.26.Transmisia BBC cu cauciuc.

Fig.4.27.Transmisia Sumitumo

De asemenea si transmisia elastica Sumitomo (utilizata pe trenul de mare vitezaal JNR "Shinkansen"), fig.4.27 este de acelasi tip. Aici axul cardanic "elastic" cuprinde

24

Page 26: 83365264 Tractiune Electrica Curs

doua roti dintate identice (una de partea motorului si cealalta de partea reductorului)legate între ele prin intermediul unor resoarte si a unui tub cu caneluri interioare.Alunecarea în caneluri si resorturile elastice permit atât dezaxarea cât si amortizareasocurilor.

c) Transmisia elastica cu cardan în arborele rotoric golEste "inspirata" din transmisia elastica BBC cu discuri (sau Sécheron cu lame) caci

necesita un motor de tractiune cu arborele rotoric gol (sau tubular).Din aceasta categorie, transmisia ASEA, v.fig.4.28 este cea mai cunoscuta. (Peste

5000 de vehicule, inclusiv locomotivele românesti LE 060 EA si LE 040 EA suntechipate cu transmisii elastice de tip ASEA.)

Fig.4.28 Transmisia elastica ASEA

La transmisia ASEA motorul electric de tractiune este complet suspendat de cadrulboghiului si are arborele rotoric gol. Prin golul arborelui rotoric este trecut arborele detorsiune (4) cu o dantura glisanta de partea motorului si cu elemente elastice de cauciucpe partea reductorului. (Legatura dintre axul cardanic si pinionul angrenajului reductoreste realizata practic printr-un cuplaj elastic cu 8 lagare de cauciuc.)

Deci transmiterea elastica a cuplului (de la motor la osie) se face prin cuplajuldintat glisant, arborele de torsiune si prin cuplajul elastic din cauciuc. Diferenta dediametre (dintre golul arborelui rotoric si exteriorul arborelui de torsiune) se alegeastfel încât sa depaseasca amplitudinea oscilatiei suspensiei primare a boghiului (adicala valori de circa 40÷50 mm).

d) Transmisia elastica cu cardan gol (în jurul osiei)Reprezentativa este transmisia "Jacquemin cu inel dansant" al carui principiu este

ilustrat în fig.4.29.Arborele cardanic (de tip tubular) îmbraca osia si transmite miscarea de la roata

dintata mare a angrenajului reductor la osia motoare prin intermediul a doua inelearticulate elastic. Un inel este plasat de partea reductorului iar celalalt de partea osiei.Doua perechi de rotule leaga capetele arborelui cardanic tubular de cele doua inele iar

25

Page 27: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.4.29 Transmisia Jacquemin cu inel dansant

Fig.4.30 Transmisia BBC cubucse de cauciuc

alte doua perechi de rotule (dispuse la 90o

fata de primele) leaga un inel de osie si pecelalalt, de roata dintata mare areductorului.

Ideea a fost repede preluata (si usormodificata) si de ceilalti constructori.

Astfel, în transmisia "BBC articulata cubucse de cauciuc", v.fig.4.30, ineleledansante au fost înlocuite prin 4 bieletecare formeaza un patrat elastic iar rotuleleau fost înlocuite cu bucse de cauciuc.

Acest tip de transmisie poate fi aplicatsi la motoarele dispuse longitudinal, caz încare, cardanul este amplasat întreangrenajul conic si osia motoare.

Principiul transmisiei elastice cu cardangol în jurul osiei se regaseste în majoritatea solutiilor recente precum: în "transmisiaKaelbe-Gmeinder", în "transmisia cu bielete articulate Alsthom", în "transmisiaarticulata cu inel de cauciuc" (BBC, Henschel, Siemens) sau în "transmisia ABB cuinel flexibil" (transmisie ce echipeaza trenul X2000) etc..

Toate transmisiile descrise si enumerate în acest paragraf sunt acelea care au masanesuspendata cea mai mica. Cum numai aproximativ jumatate din arborele cardanic(gol) se sprijina pe osie, solicitarile partii nesuspendate asupra caii de rulare sunt celemai mici posibile. Aceste transmisii elastice se regasesc astazi în constructiamajoritatii trenurilor electrice de mare viteza.

26

Page 28: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Capitolul 5

MISCAREA UTILA A VEHICULELOR SI CONVOAIELOR

5.1 GENERALITATI

În acest capitol se vor avea în vedere numai vehiculele electrice "cu roti" (metalicesau pneumatice) si aderenta la calea de rulare.

Formal, din punctul de vedere al conceptelor mecanicii clasice, orice astfel devehicul electric motor (VEM) poate fi asimilat cu un sistem mecanic de corpuri solide,rigide si elastice, între care exista o multime de legaturi. Drept urmare (în timpulmersului) atât sub actiunea motoarelor sale de tractiune cât si sub influenta caii derulare, în orice VEM au loc urmatoarele tipuri de miscari mecanice:

- o miscare utila de translatie a întregului vehicul în lungul caii de circulatie;- diferite miscari de rotatie (cu viteze unghiulare diferite) efectuate de: rotoarele

motoarelor electrice de tractiune, de osiile si de rotile VEM-ului (si ale convoiuluiremorcat), de angrenajele transmisiilor etc. si

- diferite miscari oscilatorii amortizate si eventual "socuri" rezultate atât dininteractiunile interne, violente (dintre elementele structurii mecanice ale VEM) cât sidin cauza interactiunilor VEM cu neregularitatile caii de rulare.

Dintre toate aceste miscari vom aborda numai miscarea utila, de translatie.În acest sens, se reaminteste ca deplasarea oricarui sistem mecanic este posibila

numai sub actiunea unor forte mecanice exterioare sistemului.De altfel, daca am considera VEM-ul ca un sistem mecanic izolat de exterior,

cuplurile motoarelor sale de tractiune (transmise rotilor motoare) nu ar produce decâtinteractiuni interne, care singure nu pot modifica pozitia centrului de masa al acestuia.De exemplu, la limita, prin "ridicarea" rotilor motoare de pe calea de rulare, subactiunea cuplurilor motoare ele doar s-ar roti, fara ca vehiculul sa înainteze. (Fenomeneabsolut similare se produc si în cazul vehiculelor stradale (cu roti pneumatice) înprezenta poleiului pe carosabil!)

Prin urmare, fortele de tractiune (care determina miscarea utila a VEM) trebuie"cautate" la rotile motoare, în zonele de contact "roata - cale de rulare" , acestea fiindsingurele locuri în care pot aparea interactiuni exterioare capabile sa produca miscareautila (de translatie) a VEM-ului.

5.2 ROATA MOTOARE

Toate vehiculele electric motoare (VEM) cu roti (metalice sau pneumatice) sedeplaseaza pe baza fortelor de tractiune dezvoltate de rotile motoare în prezentaaderentei. Pentru a demonstra aceasta afirmatie, "vom separa" dintr-un VEM o roatamotoare aflata în interactiune mecanica atât cu cadrul boghiului (B) si cu motorulelectric de tractiune MT (prin interactiuni interioare) cât si cu calea de rulare CR (prininteractiuni exterioare) ca în fig.5.1.

Precizare: Aici si în continuare, prin "roata motoare" vom întelege o "roatafictiva", echivalenta celor doua roti metalice calate pe osia motoare a vehiculului.

27

Page 29: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Datele mecanice si geometrice ale

Fig.5.1 Roata motoare

problemei sunt:1. VEM-ul se afla în miscare de

translatie cu viteza ;2. Se admite ca din toata sarcina

verticala a partii suspendate, rotii motoare

considerate îi revine numai fractiunea ;

3. Roata motoare (R) are raza de rularerR=Dr/2, are masa mR si momentul axial deinertie JR;

4. Motorul de tractiune (MT), completsuspendat, interactioneaza atât cu roatamotoare antrenata (transmitându-i cuplulmotor MR) cât si cu cadrul boghiului, princuplul MB. (Greutatea motorului a fost deja inclusa în fractiunea GOR a sarcinii verticalece-i revine rotii motoare considerate.);

5. Se admite ca forta de frecare la alunecare dintre roata si calea de rulare înpunctul de contact A este suficient de mare încât roata motoare R sa efectueze omiscare de rostogolire pe CR si

6. În plus, se neglijeaza toate cuplurile fortelor de frecare din cutiile de cap de osie(din centrul O, în fig.5.1).

Asa cum se poate constata, roata motoare "R" (v.fig.5.1) face parte dintr-un sistemmecanic de corpuri rigide supuse la legaturi. Ea interactioneaza cu boghiul (B) înpunctul O (prin intermediul cutiilor de cap de osie), cu calea de rulare (CR) în punctulA iar prin intermediul transmisiei mecanice si cu motorul electric de tractiune (MT).

Ori studiul unui astfel de sistem se face în baza legilor mecanicii clasice numaidupa "desfacerea" legaturilor fizice (dintre corpurile sistemului) si introducerea în loculacestora a fortelor si a cuplurilor de legatura (ca în fig.5.2).

Fortele de legatura (perechi, de tipul si ) se introduc în punctele "deseparatie" O si A, atât pe directie orizontala cât si pe directie verticala. (Ele actioneazacu aceeasi intensitate pe corpuri diferite, pe aceeasi directie dar în sensuri opuse).

În acest context, interactiunea cu motorul electric de tractiune (MT) s-a consideratprin introducerea cuplurilor de legatura MB (asupra boghiului) si MR (asupra rotii).

Din punct de vedere fizic, fortele direct aplicate împreuna cu fortele si cuplurilede legatura vor conditiona starea mecanica (de miscare sau de repaus) a fiecarui "corp"(presupus solid rigid) din fig.5.2.

Matematic, fata de orice referential inertial Ox,y,z, ecuatiile vectoriale ale acestormiscari corespund principiilor mecanicii clasice si sunt date de:

(5.1)

(5.2)

La ecuatiile generale (5.1) si (5.2) trebuiesc adaugate o serie de restrictii impusede constrângerile fizice si de ipotezele simplificatoare în care se analizeaza miscarea.Acestea sunt:

28

Page 30: 83365264 Tractiune Electrica Curs

1. Calea de rulare CR fiind fixa

Fig.5.2 Explicativa la "desfacerea"corpurilor rotii motoare

r e z u l t a c a .

Solicitarile si produse de

fiecare roata motoare a vehicululuiasupra CR servesc numai ladimensionarea elementelor deprindere (sau de fixare) a caii derulare. Din punct de vedere fizic ele

vor fi echilibrate de reactiunile

si care apar în infrastructura

caii.2. În conditiile date, roata "R"

efectueaza o miscare de roto-translatie, fara alunecare (o miscarede rostogolire), cu urmatoarelerestrictii:

si

(5.3)

unde este componenta verticala(pe axa Oy) a acceleratiei rotii iarvCM este viteza centrului de masa alrotii.

3. Se neglijeaza eventualeleacceleratii pe verticala ale cadruluiboghiului B provocate de suspensiaelastica primara, adica se consideraca:

iar (5.4)Cu aceste precizari, ecuatiile

diferentiale scalare (pe componente)care descriu miscarea accelerata arotii motoare R sub actiunea tuturorfortelor si a cuplurilor reprezentateîn fig.5.2 sunt date de:

(5.5)

Dintre toate fortele aplicate rotii motoare "R", numai forta tangentiala din punctul

A,(v.fig.5.2) (ca forta exterioara din partea CR) actioneaza în sensul miscarii .

29

Page 31: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Marimea ei rezulta din sistemul (5.5) dupa eliminarea vitezei unghiulare ωR, fiind:

(5.6)

În plus, pentru asigurarea miscarii de rostogolire (fara alunecare) a rotii pe caleade rulare, între forta tangentiala FtA si forta normala NA (din punctul de contact A)trebuie îndeplinita conditia (de tip restrictiv):

(5.7)unde "ϕ" este coeficientul de aderenta (subunitar si adimensional) dintre roata si CRiar "NA" este forta de apasare normala a rotii pe calea de rulare.

Pentru CR orizontala (ca în fig.5.2), forta de apasare normala NA data de:(5.8)

este numeric egala cu greutatea aderenta Gad[N] a rotii iar pentru CR înclinata (cuunghiul α fata de orizontala) forta de apasare normala NA va fi:

(5.9)Semnul egal în conditia (5.7) corespunde "limitei de aderenta".Nerespectarea conditiei (5.7), când FtA>ϕ NA, înseamna (din punct de vedere fizic)

pierderea aderentei si în consecinta "patinarea" sau "alunecarea" rotii pe calea de rulare(în timpul mersului).

La cuplul MR transmis rotii dat de MR=i η t M2, valoarea maxima a forteitangentiale FtA (din punctul A al rotii motoare) se obtine în regimul de mers uniform(cu v=ct. si dv/dt=0) si are marimea:

(5.10)

S-a regasit expresia (4.42) a fortei motoare la roata FR. Uzual, aceasta este numita"forta de tractiune dezvoltata de roata" (Ftr) sau "forta de tractiune la obada rotiimotoare" (Fto).

Observatii:1. Pentru asigurarea miscarii de rostogolire (fara alunecare) a rotii pe calea de

rulare la v=ct. (deci cu FtA = Fto), conditia (5.7) va limita superior cuplul util (la arbore)M2 dezvoltat de motorul de tractiune MT la valoarea:

(5.11)

2. De fapt restrictia (5.11) este echivalenta cu o limitare a puterii motorului electricde tractiune din considerente de aderenta. Astfel daca în relatia (5.11) vom operasubstitutiile:

(5.12)

puterea mecanica utila P2 (la arborele motorului electric de tractiune) la viteza v aVEM-ului va fi limitata superior prin relatia urmatoare:

(5.13)

3. La P2=ct. si ϕ≈ct. marimea vitezei "v" din relatia (5.13) se numeste "viteza dedurata" si se inscriptioneaza pe caracteristica de tractiune a VEM-ului.

30

Page 32: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Cadrul boghiului (v.fig.5.2) are ca si VEM-ul viteza "v" si este supus actiunii

fortelor si (corespunzatoare fiecarei roti motoare) si actiunii cuplului

MB (corespunzator fiecarui motor de tractiune). La vehiculele de tip feroviar (cuactionarea individuala a osiilor motoare) cuplurile de reactiune MB se pot compensareciproc daca motoarele de tractiune MT se amplaseaza pe lungimea boghiului cutransmisiile unilaterale alternând (pe stânga si pe dreapta osiilor).

La neglijarea miscarilor pe verticala ale boghiului (corespunzator aproximatiei(5.4)) rezulta ca între fortele verticale exista relatia:

(5.14)Deci, singura forta necompensata ramâne F01. Ea reprezinta forta cu care roata

motoare actioneaza în punctul O asupra boghiului în sensul miscarii .Marimea fortei F01 se obtine din (5.5 a) si (5.6) sub forma:

(5.15)

La v=ct., forta F01 este maxima. Pentru MR=i ηt M2, forta F01 are expresia:

(5.16)

Forta F0 se numeste "forta de tractiune la osie" (corespunzatoare unei singureroti motoare), are aceeasi marime ca si forta de tractiune la obada Ft0 dar are punctulde aplicatie în O (în centrul osiei).

În fine, subansamblul "roata motoare R - boghiul B" (v.fig.5.2) eliberat de

legatura sa cu calea de rulare (prin introducerea reactiunilor si în punctul A)

se afla sub actiunea fortelor (scrise pe componente):pe Ox: (5.17)

pe Oy: (5.18)Deci singura forta nenula care actioneaza în subsistemul "R-B" (care apartine

VEM-ului aflat în miscare cu viteza ) este forta tangentiala . Ea apare ca forta de

reactiune exterioara (din partea caii de rulare) asupra rotii motoare a VEM si aremarimea limitata prin conditia (5.7).

Forta FtA este legata de cuplul motor MR (transmis rotii) prin relatia (5.6).În regim de mers uniform (cu v=ct. si dv/dt=0) FtA=Ft0=F0. Numai în regimuri

dinamice (cu dv/dt≠0) forta tangentiala de tractiune FtA se micsoreaza cu valoarea forteiinertiale necesara accelerarii maselor în miscare.

Pe ansamblu, pentru un VEM cu "z" osii motoare, antrenate individual (în modidentic de "z" motoare de tractiune identice), forta totala de tractiune Ft (la obadatuturor rotilor motoare) se calculeaza (prin superpozitie) cu relatia:

(5.19)

Formula (5.19) este adevarata numai în cazul ideal când cele "z" motoare detractiune sunt la fel încarcate (când functioneaza în mod identic).

31

Page 33: 83365264 Tractiune Electrica Curs

5.3 ADERENTA

Uzual, la toate vehiculele motoare cu roti, cuplul M2 al motoarelor electrice detractiune (transmis rotilor motoare) este convertit - în zonele de contact (ale rotilor) cucalea de rulare- în forte tangentiale de tractiune (FtA).

Cantitativ, daca cuplul MR transmis unei roti motoare este prea mare, (ceea ceînseamna respectarea restrictiei 5.7) numai o parte din acesta se va transforma în fortatangentiala de tractiune iar restul cuplului va servi la accelerarea miscarii de rotatie arotii motoare considerate. Are loc patinarea, adica alunecarea rotilor pe calea de rulare.Drept urmare, forta tangentiala maxima FtA transmisibila la obada rotilor motoare (aleoricarui VEM) este limitata de fenomenul de aderenta.

5.3.5 Redistribuirea greutatii aderente

Problema redistribuirii greutatii aderente Gadi între rotile motoare apare numai lavehiculele electric motoare (VEM) destinate remorcarii (caz tipic locomotivelor).

În acest caz pe directia miscarii utile, asupra locomotivelor actioneaza fortele

tangentiale de tractiune (la obada rotilor motoare) cu rezultanta si forta de reactiune

din partea convoiului (aplicata la cârligul locomotivei). Cum cele doua forte sunt

aproximativ egale, au aceeasi directie, au sensuri opuse dar au punctele de aplicatiediferite, ele produc un cuplu (numit "cuplu de cabraj"). Sub actiunea cuplului decabraj are loc redistribuirea greutatii aderente între osiile motoare ale locomotivei (cuefectul "de descarcare" a osiilor din fata si "de supraîncarcarea" a osiilor din spate).

Drept consecinta, în tractiune rotile motoare din fata dispun de forte de aderentamai mici fiind expuse riscului patinarii.

Fig.5.6 Explicativa la aparitia cuplului de cabraj în cazul locomotivei B0’B0’

Pentru identificarea factorilor geometrici de care depinde redistribuirea greutatiiaderente între osiile motoare al aceluiasi VEM, vom analiza exemplul concret al unei

locomotive de tipul B0’B0’ în tractiune, la care , (v.fig.5.6).

Datele mecanice (si geometrice) ale problemei evidentiate sunt urmatoarele:- locomotiva (în tractiune) are greutatea aderenta Gad si viteza v;

- fiecare osie motoare dezvolta (la obada rotilor) forte de tractiune egale ( );

- cutia are greutatea GC si ampatamentul LC;

32

Page 34: 83365264 Tractiune Electrica Curs

- fiecare boghiu are greutatea GB si ampatamentul LB;- fata de suprafata de rulare, cârligul este situat la înaltimea "H" iar legatura cutie-

boghiu la înaltimea "h";- se considera o constructie simplificata, cu boghiuri libere, la care fortele de

tractiune dezvoltate de fiecare boghiu (de marime Ft/2) se transmit prin cele doualegaturi pivotante la sasiul locomotivei.

Pentru identificare, osiile motoare vor fi notate cu cifre arabe (1, 2, 3 si 4, cu 1 înfata) iar boghiurile vor fi însemnate cu cifre romane (I si II) ca în fig.5.6.

Metoda de analiza mecanica a problemei va fi cea a separarii corpurilor studiindu-se separat cabrajul cutiei si separat cabrajul boghiului.

5.3.5.1 Cabrajul cutiei

Cutia locomotivei, izolata de convoi si de cele doua boghiuri motoare ale sale(v.fig.5.7) este în echilibru dinamic sub actiunea fortelor:

- de greutate (aplicata în centrul de greutate al cutiei);

- de reactiune - si - (aplicate vertical în punctele PI si PII);

- de tractiune si (aplicate orizontal în punctele PI si PII) si

- de reactiune la cârlig (aplicata orizontal la aparatul de tractiune).

În stationare (când Ft=0 si v=0), datorita echilibrarii statice a cutiei, reactiunileverticale QI si QII vor fi egale între ele (si egale cu Q0) adica:

(5.39)

În tractiune (când Ft≠0 si v≠0), datorita diferentei pe înaltime (H-h) a punctelor

Fig.5.7 Cabrajul cutiei

de aplicatie, fortele orizontale si produc cuplul de cabraj (al cutiei) de moment

MC:(5.40)

Acelasi moment MC poate fi produs si de fortele echivalente fictive (+ , )

aplicate vertical în punctele PI si PII (v.fig.5.7). Din conditia de egalitate a momentelorfortelor echivalente rezulta qc:

(5.41)

33

Page 35: 83365264 Tractiune Electrica Curs

iar prin suprapunere cu Q0 (5.39) rezulta si marimile reactiunilor verticale QI si QII:

(5.42)

5.3.5.2 Cabrajul boghiului

Din considerente de simetrie se va analiza numai primul boghiu (I din fata).Boghiul I, izolat de cutie si de calea de rulare (v.fig.5.8) se afla în echilibru

dinamic sub actiunea fortelor:

- de greutate aplicata în centrul de greutate al boghiului;

- de apasare normala , aplicata vertical în punctul PI (din partea cutiei);

- de reactiune aplicata orizontal în punctul PI (din partea cutiei);

- de tractiune si aplicate orizontal rotilor în punctele A1 si A2 si

- de reactiune si aplicate vertical rotilor în punctele A1 si A2.

În stationare (când Ft=0 si v=0), datorita echilibrarii statice a boghiului, reactiunileverticale pe fiecare osie N10 si N20 vor fi egale si egale cu N0I:

Fig.5.8 Cabrajul boghiului

(5.43)

În tractiune (când Ft≠0 si v≠0), din cauza diferentei pe înaltime h≠0 între

directiile fortelor orizontale si asupra boghiului actioneaza cuplul de

cabraj de moment MB:

(5.44)

Acelasi moment MB poate fi produs si de fortele echivalente (+ ; ) aplicate

vertical în punctele A1 si A2 (v.fig.5.8). Din conditia de egalitate a momentelor fortelor

34

Page 36: 83365264 Tractiune Electrica Curs

echivalente rezulta qB:

(5.45)

Fortele verticale si de marime (5.45) "descarca" si respectiv "încarca"

suplimentar osiile motoare 1 si 2 ale boghiului I. (Fenomene identice au loc si înboghiul II).

Prin urmare, marimile reactiunilor verticale N1 si N2 (la apasarea osiilor pe caleade rulare în punctele A1 si A2) vor fi date de:

(5.46)

Absolut similar se obtin si reactiunile verticale N3 si N4 pentru osiile boghiului II(prin simpla înlocuire QI→QII în relatiile finale (5.46)). Rezulta:

(5.47)

Cu relatiile (5.42) pentru QI si QII se obtin formulele reactiunilor verticale:

(5.48)

unde Gad=GC+2GB este greutatea aderenta a locomotivei.Pe baza acestora, variatia greutatii aderente pe osie (datorata cabrajului) poate fi

exprimata cu relatia generala (i=1,2,3,4):

(5.49)

la care semnele termenilor din paranteza sunt: (+,+) pentru prima osie; (+,-) pentru adoua osie; (-,+) pentru a treia osie si (-,-) pentru a patra osie. În plus, ca interpretare:

∆Gi>0 semnifica osie "descarcata" iar∆Gi<0 semnifica osie "supraîncarcata".Din cauza efectelor cabrajului, în tractiune situatia cea mai defavorabila o prezinta

prima osie a primului boghiu. Descarcarea acesteia este maxima si are valoarea:

(5.50)

Desi la prima osie efectele sunt cumulative si în plus, constructiv întotdeauna(H-h)<h, din cauza ampatamentelor diferite (LC » LB) componenta cabrajului boghiului

35

Page 37: 83365264 Tractiune Electrica Curs

(qB) este mult mai mare decât componenta cabrajului cutiei (qC). Din acest motiv,diverse solutii ingenioase (de proiectare si de constructie a partii mecanice) urmarescdiminuarea la maximum a descarcarii primei osii ∆G1 (datorate cabrajului). Printreacestea amintim adoptarea la locomotivele moderne a "tractiunii joase" (unde cota "h"este foarte mult redusa). Drept urmare, efectul cabrajului boghiului - care estepredominant la constructiile normale - se reduce considerabil. (Desi creste usor cabrajulcutiei, descarcarea primei osii la locomotivele cu tractiune joasa rezulta aproapenesemnificativa.)

Aceleasi efecte ale cabrajului (dar localizate invers) se produc si în regimul defrânare al locomotivelor. De aceasta data pericolul pierderii aderentei (din cauza"descarcari" cu ∆Gi) este maxim la ultima osie motoare (în raport cu sensul de mers).

5.4 REZISTENTA LA ÎNAINTARE

Fortele care actioneza asupra vehiculelor electric motoare (VEM) sau a întreguluiconvoi în miscare (în sens opus miscarii) se numesc forte de rezistenta la înaintare,sunt notate cu R si au urmatoarele caracteristici:

- sunt prezente pe toata durata miscarii;- actioneaza pe directia miscarii utile si- au marimea necontrolabila de pe vehiculul electric motor.Conventional, sensul pozitiv al fortelor de rezistenta la înaintare este considerat în

sens opus miscarii. Prin urmare (cu exceptia cazului când VEM coboara pante mari),fortele de rezistenta la înaintare R trebuiesc "învinse" de forta de tractiune Ft avehiculului motor.

Dupa ponderea cu care intervin, fortele de rezistenta la înaintare R se împart în:- forte rezistente principale la înaintare (cu rezultanta Rp) si- forte rezistente suplimentare sau accidentale (cu rezultanta Rs).Deci: (5.51)În continuare, vor fi descrise, pe scurt, atât componentele fortei rezistente

principale cât si componentele fortei rezistente suplimentare la înaintarea unui VEMsau convoi.

5.4.1 Rezistenta principala la înaintare

Este formata din fortele de rezistenta la înaintare care actioneaza asupra unitatiimotoare (sau a convoiului) în toate regimurile de mers la deplasarea acestuia în palier(pe plan orizontal) si aliniament (în linie dreapta).

Rezistenta principala la înaintare Rp depinde de tipul constructiv si de viteza "v"a miscarii vehiculului si înglobeaza urmatoarele componente:

- rezistenta datorata frecarilor din lagarele osiilor (Rp1);- rezistenta datorata microalunecarilor dintre roata si calea de rulare (Rp2);- rezistenta datorata rostogolirii rotilor (Rp3);- rezistenta aerodinamica (Rp4);- rezistenta datorata pierderilor mecanice (din motoarele electrice de tractiune si

din transmisiile mecanice ale osiilor motoare) în regimurile de "mers fara curent";- rezistenta datorata frecarilor dintre captatorul de curent (patina, pantograf) si linia

de contact etc..

36

Page 38: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Cele mai importante componente ale rezistentei principale la înaintare Rp vor fiprezentate si analizate pe scurt, în continuare.

5.4.1.1 Rezistenta cauzata de frecarile din lagare (Rp1)

La rotirea osiilor, în fiecare lagar apar forte tangentiale de frecare Tf:

(5.52)

unde: µ este coeficientul de frecare cinetica (dintre osie si lagar) iarGl’ este sarcina verticala (de apasare normala pe lagar).

Corespunzator fortei Tf, asupra osiei în miscare actioneaza cuplul de frecare Mf0

(rezistent, opus miscarii), de marime:

(5.53)

unde "d" reprezinta diametrul fusului osiei.Din cauza acestui cuplu rezistent, la periferia rotilor (cu diametru Dr) va apare forta

rezistenta Rp1’. Prin egalarea momentelor cuplurilor:

(5.54)

rezulta: (5.55)

Aceasta este componenta rezistentei de frecari dintr-un singur lagar.La nivelul întregului vehicul, pentru toate lagarele, în cazul neglijarii diferentei

dintre greutatea pe lagare si greutatea totala pe calea de rulare G=m g), rezistentatotala datorata frecarilor din lagare Rp1 va fi:

(5.56)

În cazul vehiculelor feroviare raportul diametrelor este: d/Dr=1/8÷1/10.Coeficientul de frecare µ (pentru lagarele cu rulmenti de utilizare generala) are

valori medii de circa 0,01 (usor crescatoare o data cu cresterea vitezei) astfel încât încazul vehiculelor feroviare rezistenta principala datorita frecarilor din lagare poate ficonsiderata de marime constanta, de forma:

(5.57)

5.5 FRÂNAREA VEHICULELOR

În exploatarea vehiculelor electric motoare, sistemele de frânare prezinta oimportanta la fel de mare ca si sistemele de tractiune. Nici nu se poate imaginacirculatia vehiculelor cu viteze din ce în ce mai mari, în conditii de trafic din ce în cemai intens, când se pune cu acuitate problema opririi la punct fix (sau pe spatiiimpuse) fara dotarea lor cu sisteme de frânare puternice si fiabile.

În fapt, sistemele de frânare ale oricarui vehicul (sau VEM) trebuie sa asigure:- limitarea cresterii vitezei la coborârea pantelor (frânarea limitativa sau de

mentinere a vitezei);- reducerea vitezei de la o valoare initiala v1 (mare) la o valoare finala v2, mai

mica (frânarea propriu-zisa);

37

Page 39: 83365264 Tractiune Electrica Curs

- oprirea vehiculului aflat în miscare (frânarea de oprire) si- imobilizarea vehiculului oprit (frânarea de stationare sau de parcare).Pentru realizarea acestor functiuni în conditii de maxima siguranta, orice vehicul

trebuie prevazut cu cel putin doua sisteme de frânare cu functionare independenta.Ca principiu, frânarea oricarui vehicul electric terestru (cu roti) poate fi conceputa

fizic în cadrul a doua categorii de metode si anume:1. Metode directe la care forta de frânare se realizeaza între vehicul si calea de

rulare (frâna electromagnetica cu patine, frânarea cu saboti de cale etc.) si2. Metode indirecte, prin realizarea de forte (sau cupluri) de frânare interne

(asupra rotilor sau a osiilor vehiculului) si obtinerea fortei de frânare a vehiculului pebaza aderentei dintre roti si calea de rulare. Din aceasta categorie fac parte frâna cusaboti, frâna mecanica cu discuri (solidare cu osia) si frânarea electrica (numai a osiilorsau a rotilor antrenate de motoare electrice de tractiune).

Indiferent de metoda de frânare utilizata, vehiculul va frâna numai daca asupra luiactioneaza pe directia miscarii si în sens opus miscarii forte exterioare (de frânare).Acestea, spre deosebire de fortele de rezistenta la înaintare, au marimea (sauintensitatea) total controlabila de pe vehicul în orice moment de timp (al miscarii).

5.5.1 Frânarea mecanica (cu frecare)

Toate VEM-urile sunt prevazute cu sisteme de frânare mecanica.La frânarea mecanica, forta de frânare se obtine prin apasarea (frecarea) unor

saboti pe suprafetele de rulare ale bandajelor rotilor (la frâna cu saboti) sau pesuprafetele laterale ale unor discuri solidare cu osia (la frâna cu discuri v.fig.5.12).

Cu aceasta metoda pot fi frânate atât

Fig 5.12 Frâna mecanica cu discuri

rotile (sau osiile) motoare ale unitatiimotoare cât si rotile (sau osiile) libere aletuturor vagoanelor remorcate.

Comanda frânei se face de obicei cuaer comprimat. Pe vehicul exista (în modnormal) o instalatie pneumatica (o retea deconducte metalice si compresoare de aer)care functioneaza la presiuni de ordinul a700-900 kPa (7-9 bar).

În cazul vehiculelor urbane de tipul"totul electric" (deci lipsite de instalatiipneumatice) comanda frânei mecanice esteasigurata de circuite electrice auxiliare iar actionarea ei este realizata de servomotoareelectrice sau electrohidraulice.

Exista, de asemenea, si sisteme de frânare "cu vid". La acestea actionarea frâneieste obtinuta prin crearea, în anumite organe de comanda, a unei depresiuni (adica aunei presiuni inferioare celei atmosferice).

Datorita ariei mari de raspândire, în continuare se prezinta principalele conditiitehnice impuse sitemelor de frânare mecanica cu aer comprimat din dotarea vehiculelorcu roti si aderenta la calea de rulare. Acestea sunt:

1. Frânarea pneumatica trebuie sa fie simultana si actionabila de la un postde comanda unic. În acest scop o conducta pneumatica, lunga cât convoiul, serveste

38

Page 40: 83365264 Tractiune Electrica Curs

pentru transmiterea comenzii de frânare sau de defrânare a acestuia. Pentru ca variatiilede presiune se transmit în lungul conductei cu viteza finita (de circa 250÷270 m/s), încazul trenurilor de marfa cu lungimi de peste 500 m apare "problema simultaneitatii"frânarii si defrânarii rotilor tuturor vagoanelor. (La frânare rotile ultimului vagon vorfrâna cu întârziere fata de rotile primului vagon. Lucrurile stau exact invers ladefrânare.)

Problema s-a rezolvat prin recurgerea la sistemul electropneumatic la careactionarea frânei se face cu aer comprimat pe când comanda frânarii este transmisaelectric. În acest mod se obtine o frânare cvasiinstantanee a tuturor rotilor.

Atât trenurile de mare viteza cât si vehiculele electric motoare utilizate întransportul urban si suburban (la care promptitudinea frânarii este esentala) utilizeazaîn prezent sisteme electropneumatice (cu aer comprimat sau cu vid) pentru comandasi actionarea frânarii mecanice.

2. Frâna pneumatica trebuie sa intre automat în functiune la întreruperea (saudesfacerea accidentala a cuplelor) conductei pneumatice. Din acest motiv, comandade frânare va trebui sa determine reducerea presiunii în conducta pneumatica la frânacu aer comprimat (si invers la frâna cu vid). În baza acestui principiu, pe trenurile siVEM-urile destinate transportului de persoane sunt prevazute puncte de comanda ladispozitia calatorilor care actionate (în împrejurari critice, de pericol) pot deschide (saudescarca) conducta pneumatica determinând în acest fel intrarea automata în functiunea frânei pneumatice.

3. Frâna pneumatica trebuie sa fie "moderabila", adica sa actioneze gradat (sinu brusc) atât la frânare cât si la defrânare.

4. Frâna pneumatica trebuie sa fie "inepuizabila", adica sa-i fie garantataeficacitatea (cu o reducere de cel mult 10-15 %) si dupa numeroase frânari si defrânari,repetate la scurte intervale de timp .

5.5.1.1 Forta de frânare mecanica

La frânarea mecanica cu frecare, asupra rotilor (sau osiilor) se obtine un cuplu defrânare MF (opus miscarii) prin frecarea unor saboti sau placheti (garnituri) de frânarepe suprafata de rulare a bandajelor rotilor sau pe fetele laterale ale unor discuri defrânare. (Pe o osie pot fi montate 2 pâna la 4 discuri de frânare). Sabotii sau plachetiide frânare sunt apasati pe "suprafetele de frecare" cu forta normala P, ca în fig. 5.13.

Pentru un singur sabot (sau plachet) de frânare apasat normal cu forta P, din cauzafrecarii de alunecare (cu coeficientul de frecare µ) asupra rotii (sau discului) actioneazaforta de frecare Fµ de marime:

(5.80)Aceasta forta determina cuplul de frânare MF al rotii (opus miscarii) care:- în cazul frânei cu sabot (v.fig.5.13, poz.a) are valoarea (sau marimea):

(5.81)

- iar în cazul frânei cu disc (v.fig.5.13, poz.b) cuplul de frânare MF este:(5.82)

unde rD este "raza medie de frecare" a plachetului pe disc.

39

Page 41: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.5.13 Frânarea mecanica cu frecare (a rotii).a) Frâna cu sabot. b) Frâna cu disc.

5.6 ECUATIA MISCARII UTILE

Din punctul de vedere al dinamicii miscarii utile, orice vehicul electric motor(VEM) sau convoi va fi asimilat cu un sistem mecanic de corpuri solide rigide aflatîn miscare de translatie, în lungul caii de circulatie. Miscarea utila a VEM (sau aconvoiului) este determinata numai de actiunea fortelor exterioare. Acestea pot fi:

a) Forte active motoare (de tractiune) cu rezultanta de marime controlabila,

ce actioneaza pe directia si în sensul miscarii utile (a vitezei);

b) Forte active de frânare, cu rezultanta , de marime controlabila si care

actioneaza pe directia miscarii utile dar în sens opus vectorului viteza si

c) Forte pasive (sau de rezistenta la înaintare) cu rezultanta , necontrolabila, careactioneaza pe directia miscarii dar în sens opus ei.

Cele trei categori de forte exterioare VEM sau convoiului sunt ilustrate în fig.5.19.

Fig.5.19 Fortele exterioare care determina miscarea utila a VEM

Precizari:1. Fortele active (de tractiune) si (de frânare) nu actioneaza simultan în nici

40

Page 42: 83365264 Tractiune Electrica Curs

un regim de mers. Prezenta uneia echivaleaza cu excluderea celeilalte.2. Forta pasiva (rezistenta la înaintare) este prezenta pe toata durata miscarii

(alaturi atât de forta de tractiune cât si de forta de frânare ). Rezistenta este

prezenta chiar si în absenta fortelor active (în regimul de mers fara curent).Pentru a stabili analitic ecuatia miscarii utile a VEM (sau convoiului) se va aplica

"Teorema de variatie a energiei cinetice" sistemului mecanic de corpuri solide rigide(cu care acesta a fost asimilat). Deci, la neglijarea fortelor conservative, avem:

(5.93)adica "variatia energiei cinetice ∆Wc a sistemului mecanic rigid (în miscare) este

numeric egala cu lucru mecanic elementar δLex efectuat de fortele exterioare ( sau

si ) în intervalul de timp ∆t considerat".Daca intervalul de timp ∆t este infinit mic (când ∆t → dt), atunci:- variatia energiei cinetice ∆Wc → dWc;

- fortele exterioare si pot fi considerate constante iar

- lucru mecanic elementar δLex poate fi evaluat matematic cu relatia:

(5.94)În aceste conditii teorema de variatie a energiei cinetice (5.93), devine:

(5.95)(Pentru generalizare, în relatiile (5.94) si (5.95) au fost acceptate formal, ca actionândsimultan, toate fortele exterioare sistemului. În final, prin particularizari, vor fievidentiate separat ecuatiile miscarii utile pentru fiecare din regimurile de mers.)

5.6.1 Energia cinetica

Energia cinetica a oricarui sistem mecanic de corpuri solide rigide în miscare esteo functie de stare, de tip aditiv. Ea se obtine ca suma aritmetica a energiilor cineticeale corpurilor, corespunzator tuturor miscarilor componente.

Pentru a o evalua cantitativ vom considera "un convoi tip" caracterizat prin:m = masa întregului convoi;n1 = numarul de osii motoare;J1 = momentul axial de inertie al unei osii motoare incluzând aici si roata dintata

mare a transmisiei (calata pe ea);ω1 = viteza unghiulara a osiei motoare;r1 = raza de rulare a unei roti motoare;n2 = numarul de osii libere (sau purtatoare);J2 = momentul axial de inertie al unei osii montate purtatoare;ω2 = viteza unghiulara a osiei libere;r2 = raza de rulare a unei roti libere;n3 = numarul motoarelor de tractiune;J3 = momentul axial de inertie al indusului (si pinionului transmisiei) al unui

motor electric de tractiune (MT);ω3 = viteza unghiulara a indusului MT;i = ωMT/ωR = ω3/ω1 = raportul de transmisie al angrenajului reductor siv = viteza convoiului.

41

Page 43: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Prin compunere, (pentru "convoiul tip" în miscare), energia cinetica Wc va fi:

(5.96)

Dar, în conditii normale de tractiune (fara alunecarea rotilor), între vitezeleunghiulare ale acestora si viteza miscarii utile "v" exista relatiile:

(5.97)De aici, prin explicitarea vitezelor unghiulare ω1, ω2 si ω3 ca mai jos:

(5.98)

expresia energiei cinetice (5.96) devine:

(5.99)

sau în forma echivalenta:

(5.100)

Aici "masa fictiva" m* din (5.100) se numeste "masa inertiala".Prin identificare, pentru masa fictiva m* (a VEM-ului) se obtine expresia:

(5.101)

Factorul supraunitar (1+γ), se numeste "factor de masa" sau "coeficient globalde inertie" al convoiului. El se determina analitic cu relatia:

(5.102)

si tine cont de prezenta (si ponderea) partilor rotitoare în structura convoiului.În cazul locomotivelor n2=0, iar factorul de masa (1+γ) se reduce la forma:

(5.103)

Cu titlu de exemplu, în tabelul 5.1 se reproduc din [4] valorile aproximative alefactorului de masa (1+γ) pentru câteva vehicule tipice cu tractiune electrica.

În cazul vehiculelor remorcate se fac înlocuirile n1=n3=0 iar expresia factorului demasa (5.102) devine:

(5.104)

Tab.5.1

42

Page 44: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Denumireavehiculului

Tipul Administratie Masa[t]

Raportul detransmisie i

(1+γ)

LocomotivaLocomotivaLocomotivaTramvaiTroleibuz cu 2 osiiTramvai articulatbimotor

Re 4/41BB 9200Re 4/41V

---

CFFSNCFCFF

---

588281161117

2,851,782,78

-10,510,3

1,201,181,201,061,251,30

Prin urmare, masa materialului rulant remorcat trebuie majorata (numeric) cu 5÷6%pentru a tine cont si de inertia mecanica a partilor rotitoare.

În concluzie, prin intermediul factorului de masa se poate face abstractie deprezenta partilor rotitoare înlocuind masa reala "m" a vehiculului (sau convoiului)printr-o "masa fictiva" m*=m (1+γ) aflata în miscare de translatie cu viteza "v", aceeasicu a vehiculului (sau a convoiului) considerat.

Fizic, aceasta echivaleaza cu înlocuirea fictiva a sistemului mecanic de corpurisolide rigide printr-un punct material cu masa inertiala m*=m(1+γ).

Cu aceasta precizare ecuatia (5.95) devine:

(5.105)

sau: (5.106)de unde rezulta ecuatia miscarii utile:

(5.107)

Ecuatia (5.107) corespunde principiului fundamental al mecanicii clasice.

5.6.2 Regimurile miscarii utile

În situatiile concrete de exploatare a vehiculelor cu tractiune electrica, fortele Ft

si Ff nu coexista simultan în ecuatia miscarii utile (5.107). Din acest motiv, în realitatepot exista trei regimuri normale de miscare utila si anume:

a) Regimul de tractiune, când Ft≠0 si Ff=0;b) Regimul de mers lansat (sau "de mers fara curent") când Ft=0 si Ff=0 sic) Regimul de frânare când Ft=0 si Ff≠0.În continuare vor fi descrise pe rând, fiecare din aceste trei regimuri de miscare.

a) Regimul de tractiune corespunde cazului în care Ff=0. Din ecuatia miscariiutile (5.107) în regim de tractiune se obtine:

(5.108)

Daca Ft - R>0 atunci a=dv/dt>0 si are loc o crestere a vitezei (o accelerare). Fortarezultanta Ft - R=Fa se numeste forta de accelerare.

Daca Ft - R<0 atunci a=dv/dt<0 si are loc o scadere a vitezei (o decelerare). Fortarezultanta Ft - R=Fî se numeste forta de încetinire.

43

Page 45: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Daca Ft - R=0 atunci a=dv/dt=0 iar miscarea convoiului este uniforma, cu vitezaconstanta v=ct.=vr. Viteza "vr" se numeste viteza de regim.

b) Regimul de mers lansat corespunde cazului în care Ft=0 si Ff=0. Din ecuatiamiscarii (5.107) se obtine:

(5.109)

La mersul în palier si la urcarea rampelor când R>0, viteza VEM (sau aconvoiului) va scadea în regimul de mers lansat.

Dimpotriva, la coborârea pantelor (când R<0) viteza va creste. Este posibil ca, pepante nu prea mari, viteza sa ramâna constanta (când R=0).

În regimul de mers lansat, motoarele electrice de tractiune sunt deconectate de lasursa de energie electrica (mers fara curent) iar convoiul se deplaseaza în virtuteainertiei. Prin urmare acest regim este recomandat VEM de tip urban, cu opriri dese, (caregim premergator frânarii) în scopul realizarii unui mers economic.

c) Regimul de frânare corespunde cazului în care Ft=0. Din ecuatia miscarii(5.107), în regim de frânare obtinem:

(5.110)

În exploatare, se apeleaza la regimul de frânare în trei situatii distincte si anume:1. Când se doreste reducerea vitezei de mers (a=dv/dt<0 si deci Ff+R>0);2. Când se doreste oprirea convoiului (frânarea de oprire) sau3. Când se doreste mentinerea constanta a vitezei la coborârea pantelor mari. Acest

ultim regim se numeste "frânare limitativa" (sau "frânare de mentinere") si seobtine prin aplicarea frânarii (cu Ff>0) când R<0 pâna la anularea acceleratiei (Ff+R=0,a=dv/dt=0) asigurându-se astfel o viteza constanta (maxim admisa) pe panta respectiva.

5.7 CARACTERISTICA MECANICA A VEHICULELOR MOTOARE

La vehiculele cu motoare electrice la roti, forta activa (de tractiune sau de frânare)dezvoltata de fiecare axa (sau osie) motoare sub actiunea cuplului motorului detractiune este transmisa tangential la calea de rulare, pe baza aderentei, prin punctelesuprafetei de contact. Ea se numeste forta activa la obada F0 (de tractiune sau defrânare) si este limitata superior de forta de aderenta maxima (5.7).

Forta activa totala F (de tractiune Ft sau de frânare Ff) a unui VEM se obtinecumulativ, prin sumarea tuturor fortelor active dezvoltate la obade, corespunzatortuturor rotilor motoare ale acestuia.

Daca v[m/s] este viteza miscarii utile iar F[N] este forta activa totala, atunciputerea mecanica activa P0[W] (de tractiune sau de frânare) dezvoltata la obadeletuturor rotilor motoare ale VEM este data de:

(5.111)Deoarece în practica forta activa F (de tractiune sau de frânare) se exprima uzual

în kN iar viteza "v" se exprima în km/h (cu v[km/h]=3,6 v[m/s]), rezulta ca putereaactiva la obada P0 în kW se va determina cu relatia:

44

Page 46: 83365264 Tractiune Electrica Curs

(5.112)

În mod normal, forta activa totala F[kN] (de tractiune sau de frânare) corespundetuturor motoarelor de tractiune si depinde de viteza miscarii utile v[km/h].

Curba care da forta activa totala (în kN) în functie de viteza de mers (în km/h)adica dependenta grafica F=f(v) se numeste caracteristica mecanica a vehicululuielectric motor.

În functie de regimul miscarii utile (al VEM), caracteristica mecanica se numeste:a) caracteristica de tractiune Ft=f(v) când forta activa F este chiar forta de

tractiune Ft a VEM sau,b) caracteristica de frânare Ff=f(v) când forta activa F este chiar forta de frânare

electrica a VEM.Precizare: Caracteristica de frânare Ff=f(v) se defineste numai pentru regimul de

frânare electrica (cu motoarele de tractiune trecute în regim de generatoare electrice).La calcularea caracteristicii de frânarea electrica nu se ia în consideratie forta defrânare obtinuta prin mijloace mecanice.

5.7.1 Caracteristica mecanica ideala

În cazul ideal de exploatare al unui VEM este de dorit ca motoarele electrice detractiune sa fie utilizate la puterea nominala (de dimensionare a lor) pe un interval câtmai larg al vitezelor de mers. În aceste conditii puterea activa la obada P0 va ficonstanta iar forta totala activa F va depinde de viteza conform relatiei:

(5.113)

Expresia (5.113) denota o alura hiperbolica pentru forta activa F (portiunea dintrepunctele 1 si 2, în fig. 5.20).

Fig. 5.20. Caracteristica mecanica ideala

Pentru a delimita cu exactitate caracteristica mecanica ideala, la ecuatia (5.113)trebuiesc adaugate si restrictiile de utilizare, restrictii determinate de:

45

Page 47: 83365264 Tractiune Electrica Curs

- aderenta F ≤ Ψ Gad si- de viteza maxima constructiva v ≤ vM.În final rezulta caracteristica ideala 3-1-2 reprezentata în fig. 5.20.Pe aceasta caracteristica ideala pot fi identificate doua zone distincte si anume:a) Zona de forta constanta (portiunea 3-1) între viteza 0 si viteza nominala (sau

de durata) v1. În practica, prin utilizarea integrala a aderentei în domeniul vitezelorjoase, caracteristica mecanica în acest interval poate fi usor cazatoare (portiunea 3’-1din fig.5.20). În intervalul (0,v1) puterea activa la obada P0=F v/3,6 creste liniar dupadreapta OA de la valoarea 0 la puterea nominala P0N;

b) Zona de putere constanta, între viteza nominala v1 (punctul 1) si vitezamaxima vM (punctul 2). În acest interval, puterea activa la obada ramâne constanta(dreapta AB, la nivelul puterii nominale P0=P0N) iar forta activa F variaza inversproportional cu viteza dupa o hiperbola echilatera.

Observatii:1. În regim de tractiune, pe baza caracteristicii mecanice ideale, se poate defini

"indicele de elasticitate" (sau de suplete) β al VEM-ului, prin relatia:

(5.114)

El reprezinta raportul dintre viteza maxima de mers vM si viteza minima v1 între carese poate utiliza integral puterea activa la obada P0N a VEM.

2. În regim de frâna electrica, puterea activa la obada P0f (pentru limitareasolicitarilor electromagnetice ale motoarelor electrice de tractiune trecute în regim degeneratoare) se alege la cca. 0,8 din puterea nominala din regimul de tractiune.

3. Alura hiperbolica (dintre punctele 1 si 2) a caracteristicii mecanice F=f(v)presupune un reglaj continuu al cuplului motoarelor electrice de tractiune. Acest lucrua devenit efectiv posibil recent (cu începere din anii ’85-90), numai prin utilizareaactionarilor electronice cu motoare trifazate de c.a. (asincrone si sincrone).

4. Pe de alta parte, dintre toate motoarele cu colector, numai motorul cu excitatieserie are caracteristica mecanica M=f(n) autoreglabila, cu alura hiperbolica. În felulacesta se justifica (alaturi de alte motive) utilizarea "exclusiva" (înca de la început întractiunea electrica) a motorului de c.c. serie cu colector ca motor de tractiune.

5.7.2 Caracteristica mecanica reala (a VEM cu motoare serie)

În cazul vehiculelor electrice "clasice", cu motoare de tractiune serie, cu colector,caracteristica mecanica de tractiune are alura grafica din fig. 5.21.

Pe caracteristica de tractiune se pot evidentia urmatoarele puncte importante:- punctul 1 (de viteza v1 si forta F1). El corespunde functionarii motoarelor

electrice de tractiune în regimul nominal. Puterea mecanica la obada în acest punct vafi P1=P0N=F1 v1/3,6 [kW];

- punctul 2 (de abscisa vM) corespunde functionarii motoarelor de tractiune cuturatia maxima nM (caci vM=0,1884 (Dr nM)/i) si

- punctul 3 (cu viteza va si forta F3) care precizeaza limita superioara de utilizare(dupa aderenta) a caracteristicii F(v) corespunzatoare caracteristicii mecanice M(n) amotoarelor de tractiune de c.c. serie, cu colector.

Pentru viteze v < va, valoarea medie a fortei de tractiune variaza liniar de lavaloarea F3 la valoarea maxima Fa (în punctul 4, când v=0).

46

Page 48: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.5.21 Caracteristica de tractiune a VEM cu motoare serie

Portiunea 4-3 a caracteristicii mecanice este obtinuta printr-un reglaj adecvat (fiereostatic, fie prin modificarea tensiunii aplicate motoarelor de tractiune) asigurându-secompatibilitatea separat:

- atât cu limita de aderenta (adica Fa ≤ Ψ Gad);- cât si cu valorile maxime ale curentilor (pe care motoarele îi pot suporta).

Observatii:1. Pe portiunea 1-3-4 a caracteristicii mecanice, motoarele electrice de tractiune (de

tip serie) vor functiona în suprasarcina (cu I>IN). Aceasta presupune limitarea în timpa duratei de functionare în aceasta zona (serviciul de scurta durata).

2. O data cu cresterea vitezei peste valoarea v1 (deci la viteze v1<v≤vM), putereamecanica dezvoltata la obada rotilor motoare P0 va scadea conform fig.5.21.

Acest aspect nu apare în cazul caracteristicii mecanice ideale (în cazul VEM cumotoare de c.a. reglate electronic) din fig.5.20.

47

Page 49: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Capitolul 7

INSTALATII FIXE DE TRACTIUNEDE ALIMENTARE ÎN CURENT CONTINUU

7.2 SUBSTATII DE TRACTIUNE ELECTRICA DE CURENT CONTINUU

SSTE de c.c. reprezinta acele instalatii fixe de tractiune care primesc energiaelectrica (în c.a. trifazat) din sistemul electroenergetic national (la î.t.), reduc nivelultensiunii si modifica felul curentului (din c.a. în c.c.) iar, în final, distribuie energiaelectrica "sectiunilor liniei de contact" în vederea alimentarii VEM neautonome.

Ca raspândire, SSTE de c.c. sunt utilizate atât în tractiunea electrica urbana (desuprafata si din subteran) cât si în tractiunea feroviara electrificata în c.c..

Ca amplasare, SSTE de c.c. sunt instalatii de "interior", majoritatea echipamentelorfiind aranjate în structura de tip "celulara" (în dulapuri).

Elementele de baza din SSTE de c.c. sunt "grupurile de conversie c.a.- c.c.". Îndecursul timpului, grupurile de conversie c.a.- c.c. au suferit progrese însemnate în ceeace priveste prestatia, randamentul, întretinerea si fiabilitatea.

Astfel, la primele linii feroviare electrificate în c.c. au fost utilizate SSTE cugrupuri convertizoare rotative. De exemplu, în SUA, caile ferate electrificate în c.c. la3000 V erau alimentate (în anii 1911-1920) de la grupuri convertizoare c.a.- c.c.formate din cinci masini rotative: un motor sincron trifazat de antrenare (cu pornire înasincron), doua generatoare de c.c. legate în serie (fiecare de 1500 V) si douaexcitatrice de c.c.. Ulterior acestea au fost înlocuite treptat cu redresoare trifazate cuvapori de mercur. Rezultatele nu s-au lasat asteptate: prin adoptarea redresoarelor cuvapori de mercur SSTE de c.c. s-au simplificat considerabil si a fost posibilaconstructia de substatii cu functionare complet automatizata, chiar fara supraveghere(cu telecomanda si telecontrolul acestora). Urmatorul pas înainte are loc dupa anii ’60(ai sec.XX), odata cu introducerea redresoarelor statice cu diode (cu siliciu) în toateSSTE nou construite urmata de înlocuirea treptata (în SSTE existente) a redresoarelorcu vapori de mercur (cu noile redresoare cu diode).

În prezent, toate SSTE de c.c. sunt prevazute cu redresoare statice cu diode.Optional, se pot realiza si SSTE de c.c. reversibile (cu grupuri transformator-invertortiristorizat, în antiparalel) pentru asigurarea recuperarii energiei electrice în cazulfrânarii recuperative a VEM.

Schema de principiu a unei SSTE de c.c. cu redresoare statice trifazate cu diodeeste reprezentata în fig.7.3. (Ea corespunde unei linii feroviare electrificate în c.c. cufir de contact aerian sau la sol si întoarcerea curentului prin sine.)

În general, o SSTE de c.c. contine urmatoarele elemente (v.fig.7.3):- linia trifazata primara de î.t. (poz.1) de alimentare la 6÷110 kV;- sistemul de bare trifazate de î.t. (poz.3);- grupurile de conversie transformator-redresor (poz.6 si poz.7) protejate

individual de întreruptori tripolari (poz.4) si- sistemul de bare de c.c. la care (în cazul considerat) bara negativa (poz.9) este

legata la sine (adica la pamânt) iar bara pozitiva (poz.8) este conectata la linia de

48

Page 50: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.7.3 Schema de principiu a SSTE de c.c. cu punti redresoare cu diode1 = linie primara trifazata de î.t.; 2 = întreruptori tripolari de linie; 3 = bare trifazate de î.t.;

4 = întreruptori tripolari (ai grupului T-R); 5 = separatori tripolari; 6 = transformatori (T) trifazati;7 = redresor (R) cu diode; 8 = bara pozitiva de c.c.; 9 = bara negativa de c.c.; 10 = întreruptori

ultrarapizi; 11 = separatori monopolari (de c.c.); 12 = filtre; 13 = fideri de alimentare LC.

contact (LC) prin intermediul întreruptorilor ultrarapizi (poz.10) care asigura protectiaîn cazul scurtcircuitelor din LC.

Grupurile de conversie c.a.- c.c. (poz.6 si poz.7) sunt alcatuite din:- un transformator trifazat (poz.6) cu sarcina de a reduce valoarea efectiva a

tensiunii (de la nivelul U1 al liniei primare trifazate la nivelul U2 pentru alimentarearedresorului) în strânsa corelatie cu marimea tensiunii continuie ULC din linia de contactsi

- un redresor trifazat (poz.7), uzual cu diode (legate în punte trifazata si montatîn "dulapuri").

49

Page 51: 83365264 Tractiune Electrica Curs

În practica, (ca alternativa la legarea în serie sau în paralel a diodelorsemiconductoare) de multe ori apare mai convenabila solutia divizarii redresorului îndoua punti trifazate (conectate "în serie" sau "în paralel"). În aceasta varianta,transformatorul va fi realizat cu doua înfasurari secundare, câte una pentru fiecarepunte redresoare.

La SSTE de c.c. care alimenteaza liniile bifilare aeriene (pentru troleibuz), atâtseparatorii (poz.11) cât si întreruptorii de linie (ultrarapizi, poz.10) pot fi bipolari. Uncaz similar îl constituie si alimentarea retelei de metrou cu a treia si a patra sina,ambele izolate.

În principiu, orice SSTE de c.c. este formata dintr-o instalatie de înalta tensiunede c.a. (care cuprinde: linia trifazata primara, barele trifazate de î.t., întreruptorii siseparatorii tripolari de protectie ai grupului T-R si transformatorii T) si o instalatie dec.c., cu tensiunea nominala ULC (formata din puntile redresoare, din separatori de c.c.si din întreruptorii ultrarapizi de c.c.).

În cazul SSTE de c.c. feroviare, de regula, instalatia de î.t. este de "tip exterior".(Numai în cazul tractiunii urbane, instalatia de î.t. este de "tip interior",compartimentata, cu structura celulara.) O situatie deosebita o au SSTE aflate în"nodurile energetice" când, în plus, trebuie sa asigure si functia "de transformare" dacaalimentarile trifazate de î.t. sunt la tensiuni diferite.

Instalatia de c.c. este totdeauna "de tip interior". Ea este amplasata într-unedificiu, împreuna cu toate echipamentele de control si de comanda aferente.

7.3 GRUPURI DE CONVERSIE CU DIODE

De regula în SSTE de c.c. sunt instalate un numar de 2 pâna la 4 grupuri deconversie T-R (transformatoare coborâtoare + redresoare de putere) care pot functionaîn diferite combinatii dupa o schema de automatizare dinainte stabilita.

În cazul particular al unei SSTE cu numai doua grupuri T-R, un grup functioneazapermanent iar cel de-al doilea urmeza a fi introdus numai la aparitia unei suprasarcinideterminata de conditiile reale de trafic. Cele doua grupuri T-R sunt perfect identice,ceea ce le permite o interschimbabilitate totala!

Principial, grupurile de conversie au structura din fig.7.10 si sunt alcatuite din:- un transformator trifazat de putere, coborâtor de tensiune, cu racire naturala

în ulei sau uscat (cu racire în aer, în cazul SSTE de c.c. subterane). Transformatorulpoate avea o singura înfasurare secundara (trifazata) sau doua înfasurari secundaretrifazate. În ultimul caz, cele doua secundare trifazate pot fi identice sau pot fi diferite(dar cu numerele de spire în raportul 1/√3) astfel încât conectate în stea (Y) si respectivîn triunghi (∆), sa conduca la aceleasi valori efective ale tensiunilor de linie lafunctionarea în gol si

- un redresor necomandat cu diode legate în punte trifazata (uzual cu mai multediode de putere montate în paralel pe fiecare brat al puntii). Schema de redresareutilizata este cea în punte trifazata (puntea Graetz) cu indicele de pulsatie p=6.

Se poate dubla indicele de pulsatie (cu influente favorabile atât asupra tensiuniiredresate cât si asupra retelei de alimentare) prin legarea în serie sau în paralel a douapunti trifazate (ca în fig.7.10 poz.b si poz.c). În acest caz, cele doua punti trifazate vorfi alimentate separat de la doua înfasurari secundare ale aceluiasi transformator.Acestea, (conectate în Y si respectiv în ∆), vor produce la borne doua sisteme trifazate

50

Page 52: 83365264 Tractiune Electrica Curs

FIG.7.10 Schemele electrice ale grupurilor de conversiea) cu puntea trifazata (p=6); b) cu doua punti trifazate înseriate (p=12);

c) cu doua punti trifazate în paralel (p=12).

de tensiuni de aceeasi frecventa, aceeasi valoare efectiva si cu aceeasi succesiune dardefazate între ele cu 300 el.).

51

Page 53: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Prin legarea în serie a doua punti trifazate alimentate în acest mod se obtine otensiune continua ud=ud1+ud2 care poseda un indice de pulsatie p=12 si, în plus, curentiiprimari (absorbiti din reteaua trifazata industriala de alimentare) vor prezenta o variatie"în trepte", cu o forma mult apropiata de alura sinusoidala.

Pentru SSTE de puteri foarte mari, (ceea ce la ULC=const., înseamna curenti foartemari) apare mai judicioasa legarea în paralel a celor doua punti trifazate (ca în fig.7.10,poz.c).

Conexiunea paralel trebuie facuta numai dupa bobina de netezire LF.Bobina LF (cu miez de fier si punct median) îndeplineste un dublu rol si anume:- în primul rând functioneaza ca "bobina de absorbtie" care preia (în sarcina)

diferenta dintre valorile momentane ale tensiunilor continue ud1 si ud2 si furnizeaza la

priza mediana, tensiunea medie si

- în al doilea rând joaca rolul unei "bobine de netezire", având ca efect reducereaondulatiilor curentului continuu (de sarcina).

Pe ansamblu, la conexiunea paralel a puntilor redresoare (ca în fig.7.10 poz.c) atâtindicele de pulsatie al tensiunii redresate cât si alura curentului alternativ sunt aceleasica în cazul conexiunii serie.

7.3.1 Redresarea cu puntea trifazata

Structura de baza a instalatiilor de redresare din SSTE de c.c. o constitue punteatrifazata (puntea Graetz, reprezentata în fig.7.11). Aceasta este alimentata dinsecundarul unui transformator redresoric (T), uzual cu schema de conexiuni Dy avândraportul de transformare K (al tensiunilor de linie) precizat de:

(7.2)

unde:w1 = numarul de spire (pe faza) al uneia din cele trei înfasurari primare (de faza) iarw2 = numarul de spire (pe faza) al uneia din cele trei înfasurari secundare (de faza).Observatie La schimbarea schemei de conexiuni a înfasurarilor transformatoruluiredresoric se schimba si formula (7.2) de calcul a raportului de transformare K altensiunilor de linie.

7.3.1.1 Notiuni fundamentale

Un ansamblu de 3 ventile semiconductoare conectate la cele trei faze ale sistemuluitrifazat si care au catozii (sau anozii) comuni formeaza un "grup de comutatie".

Puntea trifazata (v.fig.7.11) are doua grupe de comutatie: grupul catodic 1, 3, 5(conectat la bara pozitiva K a circuitului de c.c.) si grupul anodic 2, 4, 6 (conectat labara negativa A a circuitului de c.c.).

Cele doua grupe de comutatie ale puntii trifazate sunt conectate în serie.La alimentarea cu un sistem trifazat de tensiuni, cele q=3 ventile ale fiecarui grup

de comutatie vor trece ciclic în conductie (unul dupa altul) în mod independent deventilele celuilalt grup de comutatie. Deci, în fiecare perioada T=1/f (unde f=50 Hz

52

Page 54: 83365264 Tractiune Electrica Curs

este frecventa retelei de alimentare), grupul va efectua q=3 comutatii astfel încât fiecare

Fig.7.11 Redresarea cu puntea trifazata Graetz

ventil al grupului va conduce un timp tq, de durata tq=T/q=T/3.În marimi unghiulare, fiecare ventil al grupului de comutatie va conduce pe un

interval de conductie β de lungime β=2π/q=2π/3 rad.el..Marimea "q" este denumita "indice de comutatie".Numarul grupelor de comutatie, în serie, se noteaza cu "s".În particular, un redresor poate avea un singur grup de comutatie (când "indicele

de pulsatie" p al tensiunii redresate ud corespunde indicelui de comutatie adica p=q).În cazul puntii trifazate (v.fig.7.11), exista s=2 grupe de comutatie (independente,

cu functionare defazata cu π/3) asfel încât indicele de pulsatie "p" al tensiuniiredresate (cu puntea trifazata) va fi dat de:

(7.3)

7.3.1.2 Tensiunea redresata (idealizata)

Pentru studiul functionarii idealizate a puntii redresoare trifazate se admiturmatoarele ipoteze simplificatoare:

1. Inductanta Ld (a circuitului de curent continuu) este considerata infinit de mare(Ld→∞) si în consecinta, curentul continuu id va fi perfect neted (deci si constant întimp) adica id=Id;

2. Se considera un cuplaj magnetic perfect între înfasurarile transformatoruluiredresoric. Aceasta înseamna neglijarea dispersiilor transformatorului (Lσ1→0 si Lσ2→0)si, în consecinta, neglijarea inductantei Lk a circuitului de comutatie (Lk 0). Prinurmare sunt admise variatii bruste ale curentilor ceea ce este echivalent cu neglijareafenomenului comutatiei naturale.

3. Se neglijeaza rezistentele ohmice (primare R1 0 si secundare R2 0) aleînfasurarilor transformatorului redresoric.

În aceste conditii, transformatorul trifazat T (alimentat în primar) si vazut pe labornele secundare va apare ca o sursa trifazata (ideala) cu tensiuni de faza sinusoidaleea0, eb0 si ec0 (simetrice, de secventa directa, cu valori efective E20) astfel încât sitensiunile compuse (de linie) sa-si conserve valoarea efectiva U20L=U20. Deci:

53

Page 55: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.7.12 Schema simplificata pentru evaluarea tensiunii redresate

(7.4)

Prin urmare, schema simplificata pentru evaluarea tensiunii redresate (idealizate)cu puntea trifazata Graetz arata ca în fig.7.12.

Daca se alimenteaza puntea trifazata (cu diode) de la sursa trifazata ideala(v.fig.7.12) cu tensiunile de faza sinusoidale, simetrice de forma:

atunci, la orice moment de timp ωt>0, vor fi în conductie numai doua diode si anume:a) numai dioda din grupul catodic (1,3,5) cu anodul legat la acea faza a sursei cu

tensiunea instantanee (de faza) pozitiva, cea mai mare sib) numai dioda din grupul anodic (2,4,6) cu catodul legat la acea faza a sursei cu

tensiunea instantanee (de faza) negativa, cea mai mica.În rest, toate celelalte diode fiind momentan supuse la tensiuni inverse, se afla în

stare de blocare.De exemplu, (din diagrama tensiunilor de faza, cu originea ωt=0 în momentul în

care ec0=ea0 ca în fig.7.13) se constata ca în intervalul [0,π/3] conduc doar diodele 1si 6 iar tensiunea redresata ud (calculata cu ajutorul "Teoremei tensiunilor la borne"aplicata pe conturul îngrosat (+)(-)Ab0aK(+), v.fig.7.12) rezulta ca mai jos:

(7.5)de unde:

(7.6)Aici: uab=ea0-eb0 reprezinta tensiunea de linie (dintre fazele "a" si "b") iar

UD = caderea de tensiune directa (egala cu uF, v.rel.6.1) la bornele diodeipolarizata direct.

Situatia analizata mai sus se repeta (cu alte perechi de diode) de sase ori în fiecareperioada T. (Succesiunea intervalelor de conductie ale diodelor puntii trifazate sunt

54

Page 56: 83365264 Tractiune Electrica Curs

precizate în fig.7.13. la poz.b.) În plus, daca se neglijaza si caderea de tensiune directape diodele aflate vremelnic în conductie (adica daca UD 0), atunci tensiunea redresataud va fi data (pe fiecare perioada T=1/f) doar de "crestele pozitive" ale tensiunilorde linie, adica:

(7.7)

exact ca în fig.7.13, poz.c (unde curba îngrosata reprezinta diagrama ud=f(ωt)).

Fig.7.13.Diagrama tensiunilor la puntea trifazataa) tensiunile de faza; b) intervalele de conductie ale diodelor;

c) tensiunile de linie si tensiunea redresata ud

Prin urmare tensiunea redresata ud nu este constanta în timp (are p=6 "creste") dareste periodica, cu perioada principala T1=T/p sau, în marimi unghiulare, cu β1:

55

Page 57: 83365264 Tractiune Electrica Curs

(7.8)

Valoarea medie Ud0 (a tensiuni redresate ud) calculata pe intervalul unei perioadeprincipale β1 când tensiunea ud≈ubc) (v.fig.7.13. poz.c) are expresia analitica:

(7.9)

se calculeaza (conform primei teoreme de medie) cu formula:

(7.10)

Concret, pentru β1=π/3 valoarea medie Ud0 (a tensiunii redresate ud) devine:

(7.11)

7.3.1.3 Tensiunea inversa

La determinarea solicitarilor electrice ale elementelor puntilor redresoare prezintaimportanta cunoasterea tensiunii inverse aplicate unui singur ventil semiconductor pedurata intervalului de blocare al acestuia. În acest scop trebuie cunoscuta tensiuneainversa "pe brat". Conform schemei simplificate din fig.7.11 valoarea maxima atensiunii inverse URM (aplicata fiecaruia din cele sase "brate" ale puntii trifazate) estedictata de valoarea maxima (de vârf) a tensiunii de linie din secundarultransformatorului) adica:

(7.12)

Exprimata, în functie de valoarea medie a tensiunii redresate Ud0 data de (7.11),valoarea maxima a tensiunii inverse URM precizata de (7.12) va fi data de formulaechivalenta:

(7.13)

7.3.3 Diagramele curentilor

La studiul simplificat al puntilor redresoare se admite, cu suficienta aproximatie,ca inductanta Ld (a circuitului de utilizare de c.c.) este infinit de mare (Ld→∞) si înconsecinta, curentul continuu este considerat perfect neted id=Id. Prin adoptarea acesteiaproximatii, în continuare vor fi stabilite diagramele curentilor prin diode (iD1, iD3, iD5,iD4, iD6 si iD1 în functie de ω t), curentii din înfasurarile secundare de faza (ia, ib si ic

în functie de ω t) cât si diagramele curentilor de linie iLa, iLb si iLc.

56

Page 58: 83365264 Tractiune Electrica Curs

7.3.3.1 Curentii prin diode

Daca pentru moment se neglijeaza fenomenul comutatiei (v.§ 7.3.5) se poateadmite ca fiecare dioda semiconductoare (a puntii trifazate) va fi strabatuta de curentulconstant:

(7.25)pe durata fiecarui interval de conductie β=2π/3 din fiecare perioada de variatie ωT=2πa tensiunii de alimentare.

În afara intervalului de conductie, curentul prin dioda respectiva este nul (iD=0).Având în vedere si succesiunea intervalelor de conductie (v.fig.7.13, poz.b), în

fig.7.15 sunt reprezentati (prin "blocuri dreptunghiulare") curentii iD1, iD3 si iD5 sirespectiv iD2, iD4 si iD6 corespunzatori ventilelor (diodelor) celor doua grupe decomutatie ale puntii trifazate.

Valoarea medie (pe durata unei perioade ωT=2π) a curentilor prin diodele puntiitrifazate se calculeaza cu formula:

(7.26)

Valoarea efectiva a curentilor prin diode ID este data de rezultatul:

(7.27)

7.3.3.2 Curentii din înfasurarile secundare

La conexiunea stea (y) a înfasurarilor de faza, curentii ia, ib si ic din cele trei fazesecundare ale transformatorului redresoric rezulta din fig.7.12, de forma:

(7.28)

Grafic, diagramele curentilor secundari ia, ib si ic în functie de ωt sunt ilustrate înfig.7.15. La neglijarea comutatiei acestia sunt formati (pe fiecare faza) din "blocuridreptunghiulare" de amplitudine ±Id si durata 2π/3 separate între ele de pauze (devaloare nula) de durate π/3.

Valoarea medie a acestor curenti alternativi (nesinusoidali) este nula. În schimb,valoarea efectiva I2 a curentilor secundari de faza este data de:

(7.29)

57

Page 59: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.7.15 Diagramele curentilor prin diode (iD1, iD3, iD5 si iD2, iD4, iD6), prinînfasurarile secundare (ia, ib si ic) si curentii primari de linie iLA, iLB si iLC

7.3.3.3 Curentii din înfasurarile primare

Fie iA, iB si iC sistemul trifazat al curentilor care parcurg înfasurarile de fazaprimare ale transformatorului (v.fig.7.11). Daca w1 si w2 sunt numerele de spire, pefaza, ale primarului si respectiv ale secundarului, din conditia neglijari curentilor demagnetizare corespunzatori fiecarei coloane a miezului trifazat (deci în ipoteza µFe=∞)se obtin expresiile curentilor primari iA, iB si iC:

(7.30)

Prin urmare, curentii primari (de faza) iA, iB si iC variaza (în timp) proportional(fiind în opozitie de faza si cu amplitudinile marite de w2/w1 ori) fata de curentii

58

Page 60: 83365264 Tractiune Electrica Curs

secundari ia, ib si ic. Deci si valorile lor efective I1 vor fi proportionale cu I2 adica:

(7.31)

7.3.3.4 Curentii de linie (din primar)

La conexiunea ∆ a înfasurarilor primare ale transformatorului (v.fig.7.11), sistemultrifazat al curentilor de linie iLA, iLB si iLC se determina cu relatiile:

(7.32)

Grafic, diagramele curentilor de linie iLA, iLB si iLC (în functie de ωt) suntreprezentate (în partea de jos) în fig.7.15.

Valoarea efectiva I1L (a curentilor de linie) este data de:

(7.33)

În concluzie, cu toate ca tensiunile de linie si de faza variaza sinusoidal în timp, atâtcurentii primari cât si curentii secundari (de faza si de linie) variaza nesinusoidal întimp. Rezulta astfel explicit regimul deformant (nesinusoidal) în care functioneazatransformatorul redresoric din SSTE.

7.3.4 Puterea de calcul si coeficientul de utilizareal transformatorului redresoric

Din cauza functionarii în regim deformant, orice transformator destinat alimentariiredresorului din SSTE trebuie sa fie dimensionat la o putere de calcul Sc, superioaraputerii aparente corespunzatoare functionarii în regim armonic (când toti curentii arvaria sinusoidal în timp). De regula, la dimensionarea transformatorului (trifazat)redresoric se pleaca de la urmatoarele marimi de calcul (dinainte cunoscute):

1. Pd0=Ud0 Id= puterea "ideala" pe partea de c.c. a redresorului;2. U1=valoarea efectiva a tensiunii de linie de alimentare pe partea de î.t.;3. ULC=valoarea nominala a tensiunii din linia de contact LC si4. Schema de conexiuni Dy (sau Yd) a înfasurarilor transformatorului.Daca se tine cont si de caderile de tensiune în sarcina pe puntea redresoare

(caderile directe de tensiune pe diodele aflate în conductie, caderea inductiva detensiune datorate fenomenului de comutatie si caderile ohmice R Id, v.§7.3.6) cât si de

59

Page 61: 83365264 Tractiune Electrica Curs

faptul ca puntea redresoare alimenteaza linia de contact, se poate aprecia ca:Udo (1,15 ÷ 1,20) ULC

Cu aceasta valoare pentru Ud0, din expresia (7.11) se determina valoarea efectivaa tensiunii secundare de linie U20 (iar în cazul conexiunii stea si valoarea tensiuniiefective de faza, E20) cu ajutorul relatiilor de mai jos:

(7.34)

Prin urmare, înfasurarea secundara a transformatorului trifazat (formata din treifaze identice, cu w2 spire fiecare) va fi dimensionata (în cazul conexiunii stea) latensiunea E20 si la curentul I2 (7.29), adica la puterea aparenta S2:

(7.35)

Absolut similar si înfasurarea primara a transformatorului trifazat (conectata în ∆)formata din trei faze identice (cu w1 spire fiecare) va fi dimensionata la tensiuneaE1=U1 si la curentul I1 (7.31), deci la puterea aparenta S1:

(7.36)

Cum însa E1/w1 = E20/w2 reprezinta chiar tensiunea pe spira a (înfasurarilortransformatorului), rezulta imediat egalitatea puterilor aparaente S1 si S2:

(7.37)

În schimb, miezul (sau circuitul magnetic al) transformatorului se dimensioneazala puterea de tip "ST" (definita ca semisuma puterilor S1 si S2):

(7.38)

Deci, pentru transformatorul trifazat utilizat la schema de redresare în puntetrifazata sunt adevarate egalitatile:

(7.39)

Valoarea comuna a puterilor aparente de dimensionare a înfasurarilor electriceprimare S1 si secundare S2 si a miezului magnetic ST (corespunzatoaretransformatorului redresoric) se noteaza cu Sc si se numeste "putere de calcul".

Daca Sc este puterea de calcul iar Pd0=Ud0 Id este "puterea ideala" (pe partea dec.c. a redresorului) atunci "coeficientul de utilizare" al transformatorului redresoricse defineste prin raportul subunitar y, dat de:

(7.40)

Pentru schema de redresare în punte (v.fig.7.11) rezulta: .

Absolut similar se judeca si în cazul schemelor de redresare cu p=12 pulsuri.

60

Page 62: 83365264 Tractiune Electrica Curs

7.3.6 Caderile de tensiune, caracteristica externa si schema echivalenta

Sa observam ca, valoarea medie a tensiunii redresate Udo data de (7.11) esteconstanta si nu tine cont (în nici un fel) de caderile de tensiune în sarcina. Din acestmotiv, în sarcina valoarea medie a tensiunii redresate Ud poate fi exprimata scazânddin Ud0 (valoarea medie, la functionarea în gol) toate caderile de tensiune ce însotescfunctionarea în sarcina a redresorului din SSTE de c.c..

A. Caderile de tensiune (în sarcina) pot fi grupate în urmatoarele trei categorii:1. Caderea de tensiune directa "uD" (pe diodele aflate în conductie).Pentru o singura dioda polarizata direct, caderea de tensiune directa uF (la bornele

diodei, când este parcursa de curentul iF) este aproximata de relatia (6.1): uF=UT0+rF iF

unde UT0=(0,5÷1,0) V este tensiunea de prag iar rF este rezistenta diferentiala adiodei.

Daca din configuratia concreta a redresorului trifazat cu diode se identifica numericvalorile urmatoarelor marimi:

ns = numarul de diode, legate în serie, pe fiecare cale de curent sis = numarul de "grupe de comutatie" legate în serie;

atunci caderea de tensiune directa "uD" (pe toate diodele aflate momentan în conductie)se calculeaza cu formula imediata:

(7.78)Pentru puntea trifazata (elementara) din fig.7.11 avem s=2 si iF=Id.În general (la legarea în paralel a diodelor) curentul fiecarei diode este iF=Id/g unde

"g" reprezinta numarul de cai de curent în paralel pe fiecare brat al puntii.Observatie: Din cauza valorilor extrem de reduse ale rezistentelor diferentiale ale

diodelor (la care rF 0), în practica se aproximeaza uF (1,5÷2,0) V astfel încât cadereade tensiune directa uD data de (7.78), devine:

(7.79)Practic, ea este independenta de marimea curentului continuu (de sarcina) Id.2. Caderea de tensiune inductiva ∆UL

Este cauzata de fenomenul de comutatie si depinde de marimea curentului continuu

Id conform relatiei (7.77): În plus, daca se introduce rezistenta

interna (fictiva) "Ri" prin relatia de definitie:

(7.80)

atunci caderea de tensiune inductiva ∆UL poate fi exprimata "clasic" cu formula:(7.81)

Observatie: Rezistenta interna Ri este o marime fictiva (de calcul) care parcursade curentul continuu Id determina (la bornele sale) o cadere de tensiune Ri Id numericegala cu caderea de tensiune inductiva ∆UL (produsa de fenomenul de comutatie). Fiindo marime fictiva, pe rezistenta interna Ri nu se disipa putere activa (pR=Ri Id

2=0) cândeste parcursa de curentul de sarcina Id≠0!!!

3. Caderea de tensiune rezistiva ∆UR

Este prezenta si se manifesta pe durata intervalelor de conductie, este proportionalacu intensitatea curentului continuu Id (de sarcina) si este cauzata de prezenta (înrealitate a) rezistentelor nenule Rk=R2+R1(w2/w1)

2≠0 pe fiecare faza în schema

61

Page 63: 83365264 Tractiune Electrica Curs

echivalenta a transformatorului redresoric (vezi fig.7.17, poz.b).Deoarece pe intervalele de conductie, curentul de sarcina id = Id circula (alternativ)

prin câte 2 (din cele trei) faze, ale schemei echivalente (a transformatorului redresoric)caderea de tensiune rezistiva ∆UR poate fi evaluata prin relatia:

(7.82)B. Caracteristica externa Ud=f(Id)Daca Ud0 reprezinta tensiunea redresata ideala (valoarea medie la functionarea în

gol), atunci în sarcina, tensiunea redresata Ud va fi calculata cu relatia:(7.83)

Deoarece uD const. 3 ÷ 20 V (indiferent de marimea curentului de sarcina),prin reprezentarea grafica a relatiei (7.83) se obtine caracteristica externa Ud = f(Id)a grupului de conversie din SSTE de c.c.. Ea are alura din fig.7.21.

Fig.7.21 Caracteristica externa Ud = f(Id)

Concret, pentru redresorul în punte trifazata, caderea de tensiune inductiva ∆UL

poate ajunge la ∆UL = Ri Id = (10 ÷ 12)% din Ud0 pe când ∆UR (0,1 ... 0,5)% dinUd0 (la sarcina nominala Id = Idn).

C. Schema echivalentaRelatiile stabilite în paragrafele precedente permit (pentru componentele medii, de

c.c.) introducerea unei scheme electrice echivalente (a grupului de conversie) întocmaica în fig.7.22. Ea contine trei elemente legate în serie si anume:

- o sursa de tensiune constanta cu tensiunea la borne: Ud0’ = Ud0 - uD Ud0

- o rezistenta interna de marime Ri + 2Rk Ri si- o inductanta interna de marime Li = 2Lk

Inductanta interna Li = 2Lk permite considerarea influentei si a fenomenelortranzitorii pe partea de c.c. (la variatia curentului Id) în marimea tensiunii Ud.

62

Page 64: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.7.22 Schema echivalenta (a grupului de conversiecu diode) la nivelul componentelor medii

Pe baza schemei echivalente din fig.7.22 se poate scrie ecuatia diferentialacorespunzatoare componentelor medii (ale grupului de conversie) ca mai jos:

(7.84)

În regimul stationar (când Id = ct.), ecuatia (7.84) degenereaza (cu particularitatileuD 0 si Rk =0) în relatia (7.83) de calcul a tensiunii medii (în sarcina) Ud.

Observatii1. Deseori, în schema echivalenta din fig.7.22, inductanta interna Li = 2Lk este

foarte mica în raport cu inductanta Ld a circuitului de sarcina (Li << Ld) si, înconsecinta, ea poate fi neglijata (Li 0).

2. Din contra, rezistenta interna Ri = (3/π)ωLk are în general acelasi ordin demarime ca si rezistenta circuitului de sarcina si, prin urmare, ea trebuie neaparat luataîn consideratie (la evaluarea tensiunii Ud).

7.3.7 Pierderile si randamentul

La neglijarea comutatiei, pierderile de putere din redresorul SSTE corespund doarcaderii de tensiune directa uD (pe duratele conductiei diodelor) si sunt date de:

(7.85)În aproximatia ca puterea activa P1 (absorbita de redresor) este (pentru orice

valoare a curentului de sarcina Id) egala cu puterea ideala "Pd0 =Ud0 Id" (pe partea dec.c.), atunci din ecuatia de bilant a puterilor active:

(7.86)randamentul redresorului se poate exprima, sub forma clasica, ηr=P2/P1:

(7.87)

Concret, în cazul redresoarelor cu diode din SSTE de c.c. caderea de tensiunedirecta uD este uD (3...20) V pentru orice Ud0 din intervalul (600...3000) V, rezultapentru ηr valori superioare cifrei 0,99 (deci pierderile pred sunt foarte mici, sub 1 %).Numai în cazul redresoarelor cu vapori de mercur (din SSTE mai vechi) randamentulηr variaza de la 0,95 ÷ 0,97 (pentru Ud0 600V) catre 0,99 (pentru tensiuni Ud0

3000V).

63

Page 65: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Capitolul 8

LINIA DE CONTACT DE CURENT CONTINUU

8.1 GENERALITATI

Asa cum s-a mentionat în paragrafele 3.5 si 3.7, atât reteaua de tramvai (urbanasi suburbana) cât si reteaua feroviara de curent continuu sunt alimentate prinintermediul unei linii de contact monofilare, aeriana, cu returul (întoarcerea curentului)prin sine si pamânt. Numai linia de contact pentru troleibuz este bifilara, cei doiconductori (cel "pozitiv" si cel "negativ") fiind izolati electric între ei.

Principial orice linie de contact aeriana este constituita din:- firul de contact (în contact electric direct cu captatorul de curent al VEM) si din- elementele suspensiei si de sustinere a firului de contact.Constructiv, firul de contact este confectionat din cupru trefilat, cu o forma a

sectiunii transversale ca în fig.8.1, forma adecvata unei

Fig.8.1 Sectiune transversalaprin firul de contact

prinderi usoare de elementele suspensiei.Functional, problema fundamentala a oricarei linii

de contact o constituie asigurarea unei captari continue(fara întrerupere) a curentului prin intermediul unuicontact alunecator care, din punct de vedere electric, înmod cert nu este perfect.

În realitate, miscarea (sau deplasarea) relativa dintrepiesa de contact si firul de contact va permite o captaresatisfacatoare a curentului numai daca atât presiuneaexercitata de piesa de contact asupra firului cât sicaracteristicile elastice ale firului de contact vor fi relativ constante.

Din acest punct de vedere, este necesar ca firul de contact (aerian) sa aiba oelasticitate verticala "e" constanta, cu aceeasi valoare pe toata lungimea "l" (a firuluide contact).

Se numeste elasticitate verticala "e" (a unui fir de contact) raportul dintredenivelarea (verticala) y[mm] si forta verticala F[N] (îndreptata în sus) care o produce.

(8.1)

Pe de alta parte, marimea curentului IL (în linia de contact) depinde atât detensiunea liniei de contact ULC[kV] cât si de puterea instalata P[kW] pe locomotiveleelectrice de c.c.. Numeric, IL se calculeaza cu formula:

(8.2)

si poate avea valori de pâna la 2000÷3000 A si chiar mai mult. (Pe liniile de 1500 Vc.c. se poate ajunge si pâna la 4000 A.)

La astfel de curenti, linia de contact este alcatuita din doua fire vecine (în paralel),fiecare cu o sectiune de 100÷150 mm2. De regula, fire simple, cu sectiunea transversalade 100 mm2 (si chiar mai putin) sunt utilizate numai pe liniile secundare.

64

Page 66: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Pentru reducerea frecarii mecanice (când priza de curent (captatorul) utilizeaza"patine" metalice) se recurge la lubrifierea atât a patinei cât si a firului de contact. Operioada de timp a fost utilizata unsoarea, aplicata periodic pe suprafata patinei. Înprezent lubrifierea contactului metalic, în miscare, se face prin stropirea cu ulei, decatre o pompa, oportun comandata (în functie de miscarea patinei de contact).

Daca priza de curent contine piese de grafit, contactul devine autolubrifiant iarproblema lubrifierii dispare. În schimb, "piesa din grafit" a captatorului de c.c. nusuporta trecerea curentilor prea mari cu vehiculul oprit (se înroseste). Din acest motivea nu poate fi utilizata în tractiunea mare, pentru ca locomotivele (în stationare) absorbcurenti de mai multe sute de amperi din LC pentru alimentarea serviciilor auxiliare (înfunctiune). Utilizarea pieselor de contact din grafit este astfel limitata numai lavehiculele urbane de c.c..

De asemenea, tot piese de grafit (pe "arcusul" pantografelor) sunt utilizateavantajos si în cazul tractiunii în curent alternativ monofazat de înalta tensiune (15 kVsau 25 kV) deoarece aici curentii absorbiti (în stationare) sunt relativ limitati.

8.2 SISTEME DE SUSPENSIE A FIRULUI DE CONTACT

Din punct de vedere functional, firul de contact (FC) trebuie sa fie atât de întins,încât sa constituie "o cale orizontala" de pe care, captatorul (amplasat pe VEM) saculeaga curentul fara lovituri mecanice si fara întreruperi electrice.

În realitate, (din cauza greutati proprii) în conditii de echilibru, orice fir de contact(cu masa lineica m0[kg/m]) întins cu o forta axiala T[N] si fixat între doi suporticonsecutivi (situati la acelasi nivel) se dispune (adica atârna în jos) dupa o curba(numita "lantisor"), ca în fig.8.2.

Fig.8.2 Explicativa la determinarea sagetii FC suspendat în punctele A

Daca punctele de suspensie A (distantate între ele cu "l" metri) sunt la acelasinivel, atunci punctul cel mai de jos (B) al firului de contact va fi situat pe axa lui desimetrie. Deci tensiunea (din sectiunea B a firului de contact) va fi orizontala(v.fig.8.2).

Din conditia de echilibru a jumatatii AB (din partea stânga a firului ABA, v.fig.8.2,

jos) exprimata prin egalitatea momentelor fortelor si :

(8.3)

65

Page 67: 83365264 Tractiune Electrica Curs

rezulta marimea sagetii "f" (a firului de contact) ca mai jos:

(8.4)

Daca "a" (în metrii) este lungimea firului de contact dintre doua puncte A (desuspensie consecutiva), atunci greutatea unei jumatati G1/2 (a firului de contact) va fi:

Cu acesta precizare, sageata "f" devine:

(8.5)

La valori reduse ale sagetii, curba lantisorului poate fi asimilata cu o parabola ceeace (cu aproximatia a≈l în relatia de mai sus) conduce la formula uzuala a sagetii:

(8.6)

În concluzie, limita inferioara a sagetii este determinata numai de solicitareamecanica maxim admisibila (Tmax) a firului de contact, pe când sistemul de suspensietrebuie sa reziste la fortele determinate de greutatea liniei, la greutatea eventualelordepuneri de gheata si/sau chiciura si la fortele determinate de presiunea vântului.

8.2.1 Suspensia transversala

Este cel mai simplu sistem de suspensie a firului de contact si este utilizat la liniilede tramvai si de troleibuz (v.§3.5). Firele de contact (unul la linia de tramvai si douala linia de troleibuz) sunt sustinute (în corespondenta cu punctele de fixare) de cabluriauxiliare transversale (prevazute cu izolatori) care sunt ancorate de stâlpi sau dezidurile cladirilor.

În linie dreapta, distanta dintre punctele de fixare de cablurile transversale este de18 - 25 m. În curbe, firul de contact este ghidat dupa un contur poligonal prinintermediul tirantilor si chiar a unor segmente (auxiliare) elastice.

Sistemul este simplu si economic. Principalul dezavantaj îl constituieneuniformitatea elasticitatii verticale "e" (8.1) a firului de contact. Într-adevar,elasticitatea verticala este mare în zona centrala si foarte redusa (practic nula) învecinatatea punctelor de fixare. În plus, atât sageata "f" (8.6) cât si elasticitateaverticala "e" (8.1) a firului de contact variaza sensibil cu temperatura mediului ambiant.

Din aceste motive, în punctele de suspensie pot aparea fenomene de desprinderea piesei de contact si/sau de lovire (izbire) a acesteia. (Desprinderea conduce la aparitiascânteilor, cu "perlarea" firului ceea ce înseamna uzura anormala.) Situatia poate fiameliorata prin utilizarea captatoarelor cu rola (sau scripete), cu rostogolirea acestuiape firul de contact. Sistemul a fost adoptat pe liniile urbane de suprafata, data fiindviteza modesta de mers a vehiculelor.

În particular, pentru liniile de troleibuz (care prezinta probleme si mai grave) aufost puse la punct dispozitive speciale care permit ameliorarea caracteristicilor elasticeale liniei chiar pe deschiderea de 25-30 m (între doua puncte consecutive ale suspensieifirelor de contact).

66

Page 68: 83365264 Tractiune Electrica Curs

8.2.2 Suspensia longitudinala (sau catenara)

Este utilizata în mod curent în domeniul feroviar (v.fig.8.3 si §3.7).Firul de contact (1), simplu sau dublu este sustinut de un cablu purtator (2) din

bronz sau din otel zincat care, la rândul sau, este fixat (sustinut de stâlpi) în puncteleindicate cu A, la distante l 50 ÷ 65 m (în linie dreapta).

Cablul purtator (2) sustine firul de contact (1) prin intermediul unor pendule (3)dispuse la distanta redusa. (Sageata maxima "f" a cablului purtator este de ordinul 0,8÷ 1,0 m.) Lungimea pendulelor (3) este calculata (si aleasa) astfel încât firul (saufirele) de contact sa rezulte perfect orizontale.

Fig.8.3 Tipuri de catenare simple: a) normala; b) cu suspensie în Y

Pentru obtinerea uzurii uniforme (pe toata lungimea piesei de contact acaptatorului), firul de contact este dispus (pe sectoarele rectilinii) în zig - zag, orizontal,în raport cu axa caii de rulare. Conturul poligonal (în zig-zag) al firului de contact esteobtinut prin lungirea/scurtarea tirantului de sprijin cu b = ± 0,20 m (v.fig.8.4) astfel cafirul sa fie continut într-o "banda" orizontala de latime 0,40 m.

În curbe, deschiderea "l" (distanta dintre punctele de sprijin) si dezaxarea "b" afirului de contact trebuie sa satisfaca conditia:

(8.7)unde ρ [m] este raza de curbura (medie) a caii ferate considerate.

În general, linia de contact este "segmentata" în tronsoane de circa 1200÷1400mlungime (numite si "zone" sau "sectoare de ancorare"). Sectoarele de ancorare suntsupuse la forte orizontale (de întindere) T. Pentru compensarea dilatarii termice,întinderea firelor se face prin intermediul unor sisteme de scripeti si a unor greutati(v.fig.3.15) care, lasate liber, asigura o valoare constanta a tensiunii (T=ct.) în oriceconditii climatice ale mediului (reglare automata).

Acestea se numesc linii de contact simplu compensate sau linii semicompensate

67

Page 69: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Fig.8.4 Stâlp de sprijin a suspensiei catenare

(când este întins numai firul de contact). Ele permit viteze maxime de pâna la 130 ÷140 km/h. Pentru viteze superioare linia de contact trebuie sa fie complet compensata(adica trebuie aplicata "reglarea automata" atât firului de contact cât si cabluluipurtator).

8.2.3 Elasticitatea liniei

Pentru asigurarea unei captari corecte a curentului este important ca elasticitateaverticala "e" (a liniei de contact) sa fie suficient de uniforma (sa varieze cât mai putinatât local cât si pe intervalul fiecarei "arcade" de lungime "l").

Prima exigenta se refera la catenarele cu doua fire de contact si este asiguratanumai daca pendulele sunt legate între cablul purtator si alternativ, la fiecare din celedoua fire ale liniei de contact.

În general, o linie de contact la care elasticitatea verticala "e" are valorile:- maxima emax (la jumatatea arcadei de lungime l) si- minima emin (în dreptul punctelor de sprijin ai liniei de contact)

este caracterizata atât de valoarea medie "em" (a elasticitatii) calculata cu:

(8.8)

cât si de indicele de neuniformitate "i" (al elasticitatii) calculat cu:

(8.9)

De exemplu, o catenara simplu compensata poate avea o elasticitate medie em

0,3÷0,4 mm/N si un indice de neuniformitate i 0,5÷0,6.

68

Page 70: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Pentru ameliorarea situatiei se poate recurge atât la compensarea totala (adicaîntinderea cu greutati si a cablului purtator) cât si la cresterea tensiunii din firelecatenarei. Prin astfel de masuri, în prezent este posibila reducerea indicelui deneuniformitate "i" pâna la valori de ordinul a 0,2÷0,3.

8.3 TIPURI DE CATENARE DE C.C.

Catenara simpla (v.fig.8.3)Este utilizata curent pe retelele feroviare de 3kV în Polonia, Italia, Spania etc..

Cablul purtator este unic, sustine unul sau doua fire de contact iar sectiunea totalapoate ajunge la valori de circa 300÷350 mm2.

De exemplu, în reteaua de 3kV a FS (Italia) catenara traditionala este formatadintr-un cablu purtator (din funie de cupru) de 120 mm2 si din doua fire de contact de100 mm2 (fiecare) cu sectiunea totala de 320 mm2 (cu masa lineica totala de 2,9 kg/m).Pe liniile cu trafic intens si cu viteza mare a fost necesara cresterea sectiunii la 440mm2 (cu masa lineica totala de 4,0 kg/m) si chiar mai mult.

În ceea ce priveste tensiunea de întindere a firelor T (în reteaua de c.c. la 3 kV)sunt utilizate urmatoarele valori:

T = 10 kN în cazul firelor de contact de 100 mm2 siT = 11 ÷ 13 kN pentru cablul purtator.La catenarele de c.c. de constructie recenta, forta de întindere T este de 15 kN

pentru firele de contact si de peste 20 kN pentru cablul purtator.

Catenara compusa (v.fig.8.5)Este utilizata în reteaua feroviara de c.c. de 1,5 kV precum cea franceza (a SNCF)

iar sectiunea totala poate ajunge pâna la 500÷600 mm2.

Fig.8.5 Catenara compusa

La aceasta constructie, cablul purtator principal (1), dispus dupa "un lantisor",sustine prin intermediul pendulelor (2) un cablu auxiliar (3), perfect orizontal, care larândul sau sustine cele doua fire de contact (4) prin intermediul unei "scarite" (5),legate alternat la firele liniei de contact.

Fata de catenara simpla, catenara compusa prezinta caracteristici elastice ("em" si"i") net superioare. În schimb este mai complicata constructiv si deci, mai costisitoare.

Alimentarea catenarei de c.c.Datorita curentilor mari (de ordinul miilor de amperi) de multe ori apare ca

necesara cresterea sectiunii totale a catenarei, pe distante scurte, (limitate), din

69

Page 71: 83365264 Tractiune Electrica Curs

vecinatatea SSTE de c.c. si aceasta din ratiuni legate de marimea densitatii de curent(A/mm2) sau de valorile caderii admisibile de tensiune.

În mod obisnuit, dupa stabilirea formei normale a catenarei, în zona SSTE seprefera mai curând cresterea sectiunii sau a numarului de conductoare (de fideri dealimentare) legate în paralel la catenara. Acestea sunt "pozate" pe stâlpii de sprijin dinapropiere (sau pe stâlpi separati) si sunt legate prin conexiuni echipotentiale la linia decontact.

8.4 FRECVENTELE MECANICE PROPRII SI VITEZA CRITICA

O problema de maxima importanta care apare la studiul comportarii (împreuna a)ansamblului pantograf/catenara o reprezinta determinarea frecventelor mecanice proprii(ale catenarei) si legat de fundamentala acestora, determinarea vitezei critice (a VEM-ului).

În acest scop, (din punct de vedere fizic) orice linie de contact va fi asimilata cuo succesiune de corzi elastice, fiecare de lungime "l" (egala cu lungimea unei arcade),corzi fixate la ambele capete. Fiecare coarda elastica "fictiva" va avea masa lineicaechivalenta µechiv:

(8.10)si va fi întinsa (supusa unei tensiuni) de o forta orizontala echivalenta Techiv:

(8.11)(sumele extinzându-se asupra tuturor firelor din care este compusa catenara).

În aceste conditii, orice perturbatie transversala (fata de starea initiala de echilibrumecanic a corzii) se deplaseaza (sau se propaga) în timp în lungul corzii elastice cuviteza "undelor transversale" vt data de formula:

(8.12)

Ajungând la capete, perturbatia este reflectata, apoi re-reflectata s.a.m.d. astfel încât(prin suprapunere) coarda elastica va capata în final starea "de vibratie". Deoareceambele capete sunt fixate, amplitudinea vibratiei în aceste puncte este nula. Decipunctele de fixare a corzii vor fi "noduri" de oscilatie.

Din teoria vibratiilor se stie ca distanta dintre doua noduri consecutive este de celputin "o jumatate de lungime de unda" (λ/2). De aici, rezulta ca "modurile posibilede vibratie" ale corzii elastice (fixata la ambele capete) vor fi astfel încât lungimea"l" (a corzii) nu poate fi decât egala cu una din valorile:

adica (în general) cu orice numar întreg n∈N de jumata ti de lungimi de unda.Folosind o formulare echivalenta, aceasta înseamna ca într-o coarda data (de

lungime "l") pot forma "unde stationare" numai anumite oscilatii (cele care auanumite) frecvente si anume numai acelea care pot da nastere la unde stationare culungimile de unda "λ" având una din valorile de mai jos:

(8.13)

70

Page 72: 83365264 Tractiune Electrica Curs

Pentru ca toate oscilatiile transversale se propaga în coarda elastica cu aceeasiviteza vt (8.12), atunci din relatia fundamentala a undelor:

(8.14)

rezulta ca frecventele proprii (posibile) "f" ale corzii elastice vor fi de forma:

(8.15)

Din sirul frecventelor proprii (8.15) frecventa cea mai joasa (pentru n=1) adica:

(8.16)

se numeste frecventa fundamentala.Celelalte valori ale frecventelor proprii f2, f3 ... fn se numesc frecvente armonice

superioare. Matematic avem fn = n f1.Frecventa fundamentala f1 depinde de caracteristicile liniei (prin l, prin Ti si prin

m0i). De exemplu, la catenarele semicompensate, frecventa fundamentala f1 sediminueaza o data cu cresterea temperaturii ambientale.

Din acest punct de vedere, pentru un VEM care se deplaseaza cu o anumita viteza"v", cele mai defavorabile conditii de captare a curentului, (cu "excursii" sau deplasariverticale de mare amplitudine a pantografului) se produc când viteza VEM-ului esteegala cu viteza critica vcr. Viteza critica vcr reprezinta acea valoare (fictiva) a vitezeiunui VEM care ar parcurge lungimea "l" (a fiecarei arcade a liniei de contact) întimpul "tcr", numeric egal cu perioada T1=1/f1 (de repetitie) a oscilatiei fundamentale(când l=λ/2). Prin urmare:

(8.17)

Pentru a evita desprinderea captatorului, în practica trebuie ca v << vcr.Catenarele normale (simple) cu arcade de lungimi l = 60÷65 m si f1 = 0,75÷0,8 Hz

prezinta viteze critice de ordinul a 160÷180 km/h. Drept consecinta, cresterea vitezeicritice (în cazul trenurilor de mare viteza) poate fi realizata numai prin marireatensiunii de întindere a firelor catenarei.

71

Page 73: 83365264 Tractiune Electrica Curs

72

Capitolul 99999999

LOCOMOTIVE ŞI RAME ELECTRICE CU MOTOARE ASINCRONE DE TRACTIUNE

9.2 STRUCTURA GENERALĂ A SISTEMULUI DE ACŢIONARE CU MOTOARE ASINCRONE A LOCOMOTIVELOR ŞIRAMELOR ELECTRICE

Utilizarea cât mai eficientă a aderenţei, adică posibilitatea de a dezvolta forţe

de tracţiune cât mai mari este o problemă de maximă importanţă în construcţia locomotivelor şi a ramelor electrice moderne. În acest domeniu s-a ajuns la puteri instalate (pe fiecare osie motoare) de ordinul a 1...1,5 MW/osie pentru mase aderente de circa 21...22,5 t/osie (în Europa). În plus, prin introducerea convertoarelor de putere performante, a electronicii de comandă, precum şi prin utilizarea eficace a sistemelor antialunecare şiantipatinare s-au obţinut rezultate remarcabile în privinţa asigurării condiţiilor optime de tracţiune. Astfel, prin controlul individual al fiecărui motor electric de tracţiune este posibil a maximiza în fiecare moment raportul de tracţiune kT(definit ca raport dintre forţa de tracţiune Ft şi greutatea aderentă Gad) al fiecărei axe motoare în funcţie de aderenţa efectiv disponibilă a acesteia. Toate aceste performanţe au fost însă realizate numai în contextul progreselor obţinute în construcţia de echipamente electrice de tracţiune (atât fixe cât şi a celor îmbarcate pe vehicule).

În zilele noastre, locomotivele electrice moderne alimentate la linia de contact de curent alternativ monofazat (fie la 16⅔ Hz, fie la 50/60 Hz) sunt echipate în mod exclusiv cu convertoare statice (cu redresoare sau convertoare de 4 cadrane (C4Q) pe partea de alimentare şi cu invertoare de tensiune şifrecvenţă variabilă pe partea motoarelor de tracţiune). Numai în felul acesta a fost posibilă realizarea de locomotive şi rame electrice cu performanţe ridicate (utilizate atât în traficul de marfă cât şi în transportul de călători). În acelaşi timp, si vehiculele electric motoare (locomotive şi rame electrice) alimentate la linia de contact de curent continuu au fost "electronizate". Ele dispun astăzi de variatoare statice de curent continuu (VTC) şi de invertoare de tensiune şi frecvenţă variabilă ITFV (când folosesc ca motoare de tracţiune motoare asincrone trifazate cu rotorul în scurtcircuit) sau invertoare de curent de frecvenţă variabilă ICFV (când folosesc ca motoare de tracţiune motoare sincrone autopilotate).

Page 74: 83365264 Tractiune Electrica Curs

73

Utilizarea în tracţiune a motorului asincron cu rotorul în scurtcircuit a fost posibilă numai după asigurarea alimentării acestuia cu un sistem trifazat de tensiuni (sau de curenţi) de amplitudine şi frecvenţă controlat variabile. Acest tip de alimentare este realizat cu ajutorul unui sistem de convertoare statice de tensiune şi frecvenţă compus, în general, dintr-un convertor de maşină (CM) şiun convertor de reţea (CR).

Ca structură generală, orice sistem de acţionare cu motoare asincrone utilizat pe locomotivele şi ramele electrice de mare viteză (fig.9.2) este alcătuit din:

- circuite electrice principale (de forţă) care includ: transformatorul de tracţiune (TT), convertorul de reţea (CR), filtrul rezonant L2C2,convertorul de maşină (CM) şi motorul asincron de tracţiune (MAT);

- partea mecanică, care cuprinde transmisia mecanică (TM) dintre motor şiosia sau roata motoare (RM) şi contactul roată-şină şi din

- blocul de control care realizează controlul convertorului de reţea, controlul ansamblului invertor de tensiune (CM) – motor asincron de tracţiune precum şi controlul antipatinare.

Din punct de vedere funcţional, convertorul de maşină (CM) este indispensabil şi serveşte la furnizarea energiei trifazate de c.a. pentru alimentarea cu parametrii variabili a motorului asincron de tracţiune, pe când convertorul de reţea (CR), când există, poate servi la modificarea unuia sau mai multor parametrii ai energiei electrice luate din LC sau la asigurarea unor condiţii specifice de funcţionare corespunzătoare convertorului de maşină.

Din acest punct de vedere, pe locomotivele şi ramele electrice de mare vitezăcu motoare asincrone de tracţiune, circuitele electrice principale pot fi (fig.9.3):

- cu un singur stadiu de conversie energetică (fig.9.3, a) la care este prezent numai convertorul de maşină (CM), situaţie întâlnită în cazul vehiculelor alimentate de la linia de contact de curent continuu.

Fig.9.2 Structura generală a sistemului de acţionare cu motoare asincrone utilizat pe locomotivele şi ramele electrice

Page 75: 83365264 Tractiune Electrica Curs

74

- cu două stadii de conversie energetică (fig.9.3, b şi c) la care, pe lângăconvertorul de maşină (CM), este prezent şi un convertor de reţea (CR).

Convertorul de reţea (CR) depinde de felul tensiunii din linia de contact (LC) de la care se alimentează vehiculele şi poate fi:

- un convertor de 2 cadrane (C2Q) în cazul vehiculelor alimentate de la linia de contact (LC) de curent continuu (fig.9.3, b) sau

- un convertor de 4 cadrane (C4Q) în cazul vehiculelor alimentate de la linia de contact (LC) de curent alternativ (fig.9.3, c).

Se observă că în toate situaţiile, convertorul de maşină (CM) este un invertor de tensiune şi frecvenţă variabilă (IT). În exploatare există şi loco-motive şi rame electrice de mare viteză de tip policurent ce pot fi alimentate de la ambele tipuri de linii de contact (de curent alternativ şi de curent continuu). În acest caz, suplimentar, este prevăzută posibilitatea alimentării de la linia de contact de curent continuu printr-un filtru de reţea (FR ca în fig.9.3, c).

Partea mecanică a sistemului de acţionare cu motoare asincrone a locomotivelor şi ramelor electrice de mare viteză este compusă dintr-un transformator de mişcare (reductorul) şi dintr-un convertor de mişcare (roată + şină) care transformămişcarea de rotaţie în mişcare de translaţie.

Fig.9.3 Structura circuitelor electrice principale utilizate pe locomotivele şi ramele electrice de mare viteză cu motoare asincrone de tracţiune

a) cu un singur stadiu de conversie energetică (linia de contact de curent continuu) b) cu două stadii de conversie energetică (linia de contact de curent continuu)

c) cu două stadii de conversie energetică (linia de contact de curent alternativ sau alimentare policurent)

Page 76: 83365264 Tractiune Electrica Curs

75

9.4 INVERTOARE DE TENSIUNE

9.4.1 Generalităţi

Pe trenurile de mare viteză de ultimă generaţie se utilizează cu precădere invertoare de tensiune. În funcţie de puterile (şi caracteristicile alimentării) trenurilor de mare viteză şi de tipul elementelor semiconductoare folosite în prezent, sunt întâlnite două tipuri de invertoare de tensiune:

- invertoare de tensiune cu două nivele şi- invertoare de tensiune cu trei nivele.

În construcţia acestor invertoare sunt folosite tiristoare convenţionale sau GTO, sau mai nou, în cazul invertoarelor de tensiune cu trei nivele, IGBT-uri.

9.4.2 Invertorul de tensiune cu 2 nivele

Schema de principiu a unui invertor de tensiune cu 2 nivele (fig.9.10) conţine o punte trifazată de elemente bidirecţionale de tipul T-D (T1 ...T6 în antiparalel cu diodele D1 ...D6). În aceste condiţii curentul poate circula în ambele sensuri, liber prin diodele D1 ...D6 şi comandat prin ventilele semiconductoare cu comutaţie forţată T1 ...T6.

Circuitul intermediar de curent continuu oferă invertorului o tensiune constantă Ud, care va fi convertită de acesta într-un sistem trifazat simetric de tensiuni de formă alternativ dreptunghiulară. Funcţionarea invertorului de tensiune cu 2 nivele presupune comanda ventilelor semiconductoare T1...T6,astfel încât fazele R, S şi T ale sarcinii trifazate (în speţă motorul asincron de tracţiune) să fie conectate ciclic la borna pozitivă A şi respectiv la borna negativă K a circuitului intermediar de tensiune continuă Ud. În aceste condiţii, fiecare din fazele motorului asincron de tracţiune vor fi conectate, pe rând, la două potenţiale diferite fapt care determină şi denumirea invertorului. Pentru realizarea practică a invertorului de tensiune cu 2 nivele sunt folosite tiristoare (fig.9.11) sau, mai nou, GTO-uri (fig.9.12). După cum se observă,varianta cu GTO-uri elimină circuitul de stingere forţată, însă necesită un circuit de protecţie mai complex decât în cazul variantei cu tiristoare. Dacă se notează cu t' durata intervalului de timp dintr-un ciclu de funcţionare elementar Tc în care faza R este conectată la bara pozitivă A (când T4 conduce) şi

Fig.9.10 Schema de principiu a invertorului de tensiune cu 2 nivele

Page 77: 83365264 Tractiune Electrica Curs

76

cu t" durata intervalului de timp din ciclul de funcţionare elementar Tc în care faza R este conectată la bara negativă K (când T1 conduce), atunci se poate scrie: t"+t=Tc ′ (9.15) În funcţie de relaţia dintre duratele To şi Tc se obţin cele două tipuri de funcţionare ale invertorului de tensiune cu 2 nivele utilizat la alimentarea motoarelor asincrone de tracţiune şi anume:

- dacă Tc=To invertorul va funcţiona cu undă plină (dreptunghiulară)- dacă Tc<To invertorul va funcţiona în regim de modulaţie în lăţime

(PWM) a pulsurilor de tensiune.

9.4.3 Invertorul de tensiune cu 3 nivele

Din descrierea funcţionării invertorului de tensiune cu 2 nivele (§9.4.2.1) se observă că, la comutarea unei faze a motorului asincron de tracţiune de la borna pozitivă A la borna negativă K (sau invers), tensiunea uRO ia consecutiv douăvalori distincte (+Ud/2 şi -Ud/2). Având în vedere valoarea mare a tensiunii din circuitul intermediar de curent continuu (care poate ajunge la 3000V), solicitarea în tensiune a elementelor semiconductoare este mare, ceea ce duce la necesitatea înserierii de două sau mai multe elemente semiconductoare. Pentru evitarea acestei situaţii, în tracţiune se foloseşte invertorul de tensiune cu trei nivele la care tensiunea uRO va lua, în plus, şi o valoare intermediară nulă, ceea ce a dus şi la folosirea unei alte denumiri, aceea de invertor NPC (Neutral-Point-Clamped) . Pe locomotivele şi ramele electrice de mare viteză cele mai folosite invertoare cu 3 nivele sunt cele cu GTO-uri şi, mai nou, cu IGBT-uri (Shinkansen 700). În varianta cu GTO-uri, un invertor de tensiune cu 3 nivele are structura unei punţi trifazate în care fiecare din cele 6 ramuri este formatădin 2 grupe tiristor-diodă antiparalel, grupe legate în serie, cu punctul median dintre grupe conectat (prin intermediul unor diode) la potenţialul de referinţă O ca în fig.9.20. Tiristoarele conectate la bara pozitivă A şi la bara negativă K sunt denumite

Fig.9.11 Circuitul corespunzător fazei R a invertorului de tensiune cu 2 nivele cu tiristoare cu comutaţie externă

Fig.9.12 Circuitul fazei R a invertorului de tensiune cu 2 nivele cu GTO-uri

Page 78: 83365264 Tractiune Electrica Curs

77

tiristoare principale (externe), iar celelalte tiristoare sunt denumite tiristoare secundare (interne). Dacă cu t' se notează durata intervalului de timp dintr-un ciclu de funcţionare elementar Tc, în care faza R este conectată la bara A, cu t'' se notează durata intervalului de timp din ciclul de funcţionare elementar Tc, în care faza R este conectată la bara K şi cu t''' durata intervalului de timp din ciclul de funcţionare elementar Tc, în care faza R este conectată la potenţialul de referinţă O, atunci se poate scrie: t+t"+t=Tc ′′′′ (9.33) Ca şi în cazul invertorului de tensiune cu 2 nivele, în funcţie de relaţia dintre To şi Tc se obţin cele două tipuri de funcţionări ale invertorului de tensiune cu 3 nivele şi anume: 1) Când Tc=To, invertorul va funcţiona cu undă plină (dreptunghiulară) şi

2) Dacă Tc<To, invertorul va funcţiona în regim de modulaţie în lăţime (PWM) a pulsurilor de tensiune.

9.4.3.1 Funcţionarea cu undă plină

Acest regim corespunde funcţionării motorului asincron cu viteze supranominale (ωs > ωN), când tensiunea Us (de alimentare pe fază a motorului asincron de tracţiune) este menţinută constantă (Us=UN). În condiţiile t'+t''+t'''=Tc=T0, intervalele de timp t’, t” şi t”’ vor avea valorile:

12

T2=12

T2=t;12

T5=12

T5=t"=t coco ⋅⋅′′′⋅⋅′ (9.34)

Prin urmare, duratele de conducţie ale tiristoarelor (exterioare şi interioare) sunt diferite (tab.1.1).

Fig.9.20 Schema de principiu a invertorului de tensiune cu 3 nivele în varianta cu GTO-uri

Page 79: 83365264 Tractiune Electrica Curs

78

Tab.1.1 Duratele de conducţie ale tiristoarelor în cazul invertorului cu 3 nivele (faza R)

T1 T11 T1' T11'

uRO= - Ud/2 - - 5T0/12 5T0/12

uRO=0 - 2T0/12 2T0/12 -

uRO= + Ud/2 5T0/12 5T0/12 - -

Se observă că tiristoarele interioare conduc un interval de timp egal cu 7T0/12, iar cele exterioare un interval de timp egal cu 5T0/11. În cadrul braţului corespunzător fazei R, tiristoarele (T1,T1') şi (T11,T11') formează câte o celulăelementară de comutaţie. (În cadrul fiecărei celule elementare de comutaţie funcţionarea tiristoarelor este complementară.) Tensiunea uRO va lua succesiv valorile +Ud/2 (dacă faza R este conectată la bara pozitivă A), 0 (dacă faza R este conectată la potenţialul de referinţă 0) şi-Ud/2 (dacă faza R este conectată la bara negativă K) (tab1.1). Cu aceastăprecizare, în fig.9.21 s-au reprezentat diagramele tensiunilor uR0, uS0, uT0, uRS şiuRN la invertorul cu trei nivele. Se observă că formele de undă ale tensiunilor de linie şi de fază (fig.9.21) sunt mult mai apropiate de forma sinusoidală şi deci conţinutul în armonici este mult redus. În aceste condiţii nu se mai utilizează inductanţele externe în serie cu fiecare fază pentru ameliorarea formei curentului, ca în cazul invertorului de tensiune cu 2 nivele.

Fig.9.21 Formele de undă ale tensiunilor corespunzătoare invertorului de tensiune cu 3 nivele la funcţionarea în undă plină

Page 80: 83365264 Tractiune Electrica Curs

79

9.5 CONVERTORUL DE 2 CADRANE Convertorul de 2 cadrane (C2Q) este un convertor de reţea utilizat pe locomotivele şi ramele electrice de mare viteză cu motoare asincrone de tracţiune alimentate de la linia de contact de curent continuu. Conform clasificării din § 9.2, în schema electrică a acestor trenuri se pot evidenţia douăstadii de conversie a energiei electrice. Principial, în timp ce convertorul de maşină (CM) este indispensabil, (el realizând conversia curent continuu-curent alternativ), convertorul de reţea (CR) poate lipsi. În cazul în care invertorul de tensiune IT (convertorul de maşină) este realizat cu tiristoare convenţionale cu comutaţie externă (fig.9.11) iar convertorului de 2 cadrane (C2Q cu rol de CR)

lipseşte, condiţiile de comutaţie ale tiristoarelor (CM) vor fi puternic influenţate de valoarea tensiunii din linia de contact (care poate avea variaţii mari, de circa (-30 ... +20) %ULCN). Probleme de comutaţie pot apărea la valori mici ale tensiunii din linia de contact (ULCmin) şi implicit ale tensiunii din circuitul intermediar

(Udmin), când este posibil ca sarcina acumulată în condensatoarele de stingere ale invertorului de tensiune să fie insuficientă pentru comutarea curenţilor maximi. O soluţie ar fi supradimensionarea invertorului de tensiune. Acesta va trebui să aibă o putere de dimensionare Sdim evaluată cu:

NNLCmin

LCmaxN

dmin

dmaxNdim S1,7

0,71,2

SUUS=

UUS=S ⋅≈⋅≈⋅⋅

În aceste condiţii devine mai avantajoasă soluţia cu două stadii de conversie a energiei electrice, deci cu utilizarea convertorului de 2 cadrane (fig.9.23). Convertorul de 2 cadrane (C2Q) se compune din două contactoare statice CS1 şi CS2 şi din două diode corespunzătoare acestora (D1 şi respectiv D2). El are atât rolul de a menţine tensiunea Ud (din circuitul intermediar de curent continuu) la o valoare constantă, suficient de mare, cât şi de a permite frânarea recuperativă a întregului sistem de acţionare electrică, fără schimbarea configuraţiei circuitului de forţă.

Conceptual, convertorul de 2 cadrane (C2Q) are structura unui variator de tensiune continuă (VTC) cu funcţionare în două cadrane (2Q), reversibil în curent. Pe de altă parte, orice VTC de 2Q bidirecţional în curent poate fi obţinut din două VTC-uri de 1Q (unul ridicător CS1-D1 şi celălalt coborâtor CS2-D2)conectate între aceleaşi borne 1-1’ şi 2-2’ (ca în fig.9.24).

Fig.9.24 Sensurile curenţilor prin C2Q în regim de tracţiune şi de frânare recuperativă

Page 81: 83365264 Tractiune Electrica Curs

80

În regim de tracţiune, ansamblul CS1-D1 funcţionează ca un variator de tensiune continuă (VTC de 1Q) ridicător (fig.9.24) şi permite păstrarea constantă a tensiunii Ud (din circuitul intermediar) la o valoare Ud>ULCmax, iar în regim de frânare recuperativă ansamblul CS2-D2 funcţionează ca un variator de tensiune continuă (VTC de 1Q) coborâtor, permiţând şi un reglaj al frânării. Sensul curentului în regim de tracţiune (reprezentat cu linie continuă în fig.9.24) este invers faţă de sensul curentului în regim de frânare cu recuperare (reprezentat cu linie întreruptă). În cazul în care nu există receptivitate în linia de contact frânarea este reostatică şi se realizează cu ajutorul tiristorului TF şi areostatului RF (v.fig.9.23).

9.6 CONVERTORUL DE 4 CADRANE

În cazul locomotivelor şi ramelor electrice (LRE) de mare viteză (cu motoare asincrone de tracţiune) alimentate de la linia de contact de curent alternativ este indispensabilă prezenţa convertorului de reţea CR (fig.9.3 b). Funcţional, acesta este un redresor cu circulaţie bidirecţională de energie. Constrângerile determinate de dezvoltarea iniţială (a LRE de mare viteză) în sistemul monofazat de joasă frecvenţă (15 kV, 16⅔ Hz) au dus la apariţia unui convertor de reţea cu performanţe deosebite, prezent astăzi pe orice tren de mare viteză cu motoare asincrone alimentat de la linia de contact de curent alternativ, denumit convertor de 4 cadrane (C4Q) şi ale cărui principale sarcini sunt:

1. Să absoarbă din linia de contact un curent cu un conţinut neglijabil de armonici şi a cărui fundamentală să fie în fază cu tensiunea din linia de contact, deci să asigure un factor de putere cosφ≈1 (în tracţiune) şicosφ≈-1 (în frânare).

2. În regim de tracţiune, să absoarbă din linia de contact o putere electricăpulsatorie şi să furnizeze invertorului de tensiune (convertorului de maşină) o putere electrică continuă (şi invers în regim de frânare recuperativă).

Fig.9.23 Schema de principiu a unei locomotive de mare viteză cu convertor de 2 cadrane (C2Q) FR = filtru de reţea; CR(C2Q) = convertorul de reţea; CM(IT) = convertorul de maşină

Page 82: 83365264 Tractiune Electrica Curs

81

9.6.1 Structura şi funcţionarea convertorului de 4 cadrane

În varianta cu GTO-uri, convertorul de 4 cadrane (C4Q) conţine 4 perechi de elemente T-D (tiristor-diodă antiparalel) legate în punte, o inductanţă L (de mărime importantă pe partea de c.a.) şi un circuit rezonant serie L2-C2 (pe partea de c.c.) acordat pe dublul frecvenţei tensiunii de alimentare (f0=2·fLC). Pe locomotivele şi ramele electrice cu motoare asincrone, convertorul de 4 cadrane este alimentat (pe partea de c.a.) prin intermediul unui transformator monofazat, la linia de contact LC. Datorită acestei alimentări, a fost posibilărenunţarea la inductanţa L (ca element fizic distinct) şi includerea ei în transformatorul principal (printr-o construcţie mai specială a acestuia). În acest context, transformatorul monofazat de alimentare a C4Q va trebui proiectat şirealizat cu o tensiune nominală de scurtcircuit ukN[%] puternic mărită, (cu valori de până la 55...60%). Schema de principiu a convertorului de 4 cadrane (C4Q) aşa cum este ea întâlnită pe locomotivele şi ramele electrice LRE de mare viteză este ilustrată în fig.9.25. Pentru evidenţierea inductanţei L, transformatorul electric monofazat va fi reprezentat cu ajutorul schemei echivalente Kapp (cu „primarul” redus la „secundar”) ca în fig.9.26. Ecuaţiile simplificate Kapp ale transformatorului monofazat sunt:

kL+L=L;

kR+R=R

u+dtdiL+iR=u;

kii;

ku=u

2T

1σ2σk2

T

12k

22

k2kT2T

21

T

T1T2 ⋅⋅=

(9.35)

unde kT=w1/w2 este raportul de transformare al tensiunilor transformatorului.

Fig.9.25 Schema de principiu a convertorului de 4 cadrane (C4Q) de pe LRE

Page 83: 83365264 Tractiune Electrica Curs

82

În plus, la puteri mari şi valori mari ale tensiunii nominale de scurtcircuit ukN[%], în schema echivalentă Kapp (fig.9.26) se poate neglija rezistenţa Rkastfel încât ecuaţia de tensiuni din (9.35) devine:

u+dtdiL=u 2

2kT2 ⋅ (9.36)

Acum se face identificarea inductanţei L cu inductanţa de scurtcircuit a Lk(văzută pe la bornele secundare). Numeric, mărimea sa este:

N1

N1TkNk1

2

1

2

LC

k1k I100

U[%]uX;)ww(XL=L

⋅⋅

≈⋅ω

=

unde cu w1 şi w2 s-au notat numerele de spire (din primar şi din secundar) ale transformatorului. Convertorul de 4 cadrane permite circulaţia bidirecţională de energie în raport cu sursa (LC de alimentare). El poate funcţiona atât ca redresor cât şi ca invertor. Uzual, convertorul de 4 cadrane lucrează în regim de modulaţiei PWM sinusoidală. În plus, pentru simplificarea descrierii funcţionării C4Q vor fi considerate numai fundamentalele tensiunii şi curentului pe partea de c.a. . În aceste condiţii, considerând tensiunea de alimentare uT2 sinusoidală ca mărime de referinţă (cu valoarea efectivă UT2=ct. şi faza iniţială nulă), atât curentul i2 cât şi tensiunea u2 vor varia sinusoidal în timp, dar în urmă cu unghiurile φ2 şi respectiv ψ. Deci, matematic, acestea vor fi de forma:

ψ)-tsin(ωU2=u

)-tsin(ωI2=it;sinωU2=u

LC22

2LC22LCT2T2

ϕ⋅⋅(9.37)

În regim armonic, ecuaţia (9.36) scrisă în complex simplificat, devine:

LLL;ω=X;Xj

)U-U(I;U+IXj=U kLC2T2

222T2 =⋅

=⋅⋅ (9.38)

în care: jψ22

j22T2T2 eUU;eII;U=U 2 −ϕ− ⋅=⋅= (9.39)

Diagrama fazorială corespunzătoare ecuaţiilor (9.38) şi (9.39) este reprezentată în fig.9.27. Cu ajutorul ei vor fi evaluate puterile P şi Q schimbate de C4Q cu reţeaua (LC) de alimentare. Astfel, puterea activă P (absorbită de C4Q) pe la bornele „a-x”, calculată cu:

Fig.9.26 Schema echivalentă a transformatorului şi a convertorului de 4 cadrane

Page 84: 83365264 Tractiune Electrica Curs

83

22T2T2 cosIUP=P ϕ⋅⋅= (9.40) şi prelucrată matematic cu ajutorul relaţiei (v.fig.9.27):

XsinUcosI)

2sin(IXsinU 2

22222ψ⋅=ϕ⇒ϕ−

π⋅⋅=ψ⋅ (9.41)

ne conduce la următoarea expresie finală pentru P:

)sinUU(

XU

XsinUUPP

2T

22

2T22T2T ψ⋅=ψ⋅== (9.42)

Puterea reactivă Q (absorbită de C4Q) pe la bornele „a-x” calculată cu: 222T2T sinIUQQ ϕ⋅⋅== (9.43)

şi prelucrată matematic cu ajutorul relaţiei (v.fig.9.27):

XcosUUsinI)

2cos(IXcosUU 22T

222222Tψ⋅−=ϕ⇒ϕ−

π⋅⋅+ψ⋅= (9.44)

ne conduce la următoarea expresie finală pentru Q:

)cosUU1(

XU

XcosUUUQQ

2T

22

2T22T2T2T ψ−=ψ⋅−== (9.45)

Expresiile finale (9.42) şi (9.45) evidenţiază că, pentru valori date (şiconstante) ale tensiunii de alimentare UT2=ct. şi ale inductanţei L=X/ωLC=ct., puterile P şi Q se pot modifica controlând doar amplitudinea ( 2U2 ⋅ ) şi faza (ψ) a fundamentalei tensiunii u2 (pe partea de c.a. a convertorului de 4 cadrane). La curent constant şi φ2=var., cele două cercuri (C1) şi (C2) din fig.9.27 reprezintă locurile geometrice ale vârfurilor O3 şi O4 (ale extremităţilor fazorilor I2 şi U2). Pe locomotivele şi ramele electrice, prezintă interes numai două regimuri de funcţionare ale convertorului C4Q şi anume:

1. Funcţionarea ca redresor cu cosφ1≈cosφ2=1 (în tracţiune) şi2. Funcţionarea ca invertor cu cosφ1≈cosφ2=-1 (la frânare).

Ψ π

ϕϕ

Fig.9.27 Diagrama fazorială generală a convertorului bidirecţional (C4Q)

Page 85: 83365264 Tractiune Electrica Curs

84

Diagramele fazoriale în cele două cazuri (cu φ2=0 şi respectiv φ2=π) sunt reprezentate în fig.9.28. În ambele cazuri, se pot scrie:

UIX=tgψ

sinUIX;cosUU)IX(UU

T2

2

2222T

22

22T2

⋅ψ⋅=⋅ψ⋅=

⋅+=(9.46)

Pe de altă parte, între valoarea efectivă U2 (a fundamentalei tensiunii de alimentare a convertorului de 4 cadrane) şi valoarea Ud (a tensiunii pe partea de c.c.) se poate postula o relaţie de proporţionalitate de forma:

Q4d

2d4Q2 k

UUsauUk=U =⋅ (9.47)

În plus, din punct de vedere fizic, se observă că puntea convertorului de 4 cadrane (fig.9.26) nu conţine elemente care să poată înmagazina sau disipa energie electromagnetică. În aceste condiţii rezultă că valoarea momentană aputerii p2 (la intrarea M-N) va fi egală la orice moment de timp cu puterea pd (la ieşirea A-K din puntea convertorului). Prin urmare:

iU=iusau p=p 4Qd22d2 ⋅⋅ (9.48) Cu relaţiile (9.37) pentru u2 şi i2 (în care φ2=0) din (9.48) rezultă pentru curentul i4Q expresia:

i+I=ψ)-tcos(2ωkI-cosψkI==ψ)-tsin(ωt)sin(ωkI2

Uψ)-tsin(ωU2t)sin(ωI2=

Uui=i

F2dLC4Q24Q2

LCLC4Q2

d

LC2LC2

d

224Q

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅⋅⋅

(9.49)

Ψ

ϕ

ϕ

Ψ

π

Fig.9.28 Diagramele fazoriale în regim de redresor cu cosφ2=1(sus) şi în regim de invertor cu cosφ2 = - 1 (jos) ale convertorului de 4 cadrane

Page 86: 83365264 Tractiune Electrica Curs

85

Deci curentul i4Q va avea o componentă continuă de mărime Id:

sinψX

Uk=ψoscX

tgUk=cosψkI=I T24Q

T24Q4Q2d ⋅⋅⋅

ψ⋅⋅⋅⋅ (9.50)

şi o componentă alternativă iF2 (cu variaţie armonică în timp) de pulsaţie 2·ωLC şivaloare efectivă de mărime IF2:

tgψX2

Uk=2

Ik=I T24Q24QF2 ⋅

⋅⋅⋅

(9.51)

Fizic, componenta armonică iF2 va fi în totalitate absorbită de circuitul rezonant L2-C2 (fig.9.26) acordat pe dublul frecvenţei tensiunii de alimentare cu:

LC22

LC0LC0 2ωCL

12ωsau f2f =⇔=ω⋅=

Rezultă că, circuitul intermediar de curent continuu va fi străbătut numai de componenta constantă Id.

Aşa cum se observă şi din relaţiile (9.50), (9.51) dacă UT2=ct. şi X=ct., mărimea şi sensul ambelor componente (Id şi iF2) ale curentului i4Q depind doar de mărimea şi semnul defazajul ψ (dintre tensiunile u2 şi uT2). La ψ=0 atât Id=0 cât şi IF2=0. La defazaje pozitive ψ>0 rezultă Id>0 (regim de tracţiune) pe când pentru defazaje negative ψ<0 rezultă Id<0 (regim de frânare). Deci, prin reglarea (ca mărime şi fază) a tensiunii u2 se poate controla regimul de funcţionare (atât în tracţiune cât şi în frânare) al convertorului de 4 cadrane. Grafic, corespunzător relaţiilor (9.37) şi (9.49), pot fi reprezentate legile de variaţie în timp ale tensiunilor (uT2, u2) şi ale curenţilor (i2,i4Q) în regim de tracţiune ca în fig.9.29. Se observă că, în decursul fiecărei perioade T=1/fLC se disting patru intervale

Fig.9.29 Formele de variaţie în timp ale tensiunilor şi curenţilor convertorului de 4 cadrane (C4Q) în regim de tracţiune (Id>0)

Page 87: 83365264 Tractiune Electrica Curs

86

de funcţionare diferită a convertorului de 4 cadrane (fig.9.29). Astfel, în intervalele I şi III (de lărgime π-ψ), puterea p2=u2·i2 este pozitivă (pe intervalul I, u2>0 şi i2>0, iar pe intervalul III u2<0 şi i2<0) şi deci convertorul funcţionează în regim de redresor, fiind parcurse de curenţi doar ramurile cu diode. În schimb, pe intervalele II şi IV (ambele de lărgime ψ), puterea p2 este negativă iar convertorul C4Q funcţionează în regim de invertor monofazat şi furnizează putere reactivăcircuitului de curent alternativ (putere preluată din circuitul intermediar de curent continuu). În mod asemănător decurge funcţionarea convertorului de 4 cadrane şi în regim de frânare cu recuperare (Id<0), când curentul i2 este în opoziţie de fazăcu tensiunea uT2 (fig.9.28 jos) iar u2 este defazat înainte (faţă de uT2), cu unghiul ψ<0 ceea ce va conduce la modificarea celor patru intervale de funcţionare. În concluzie, indiferent de regimul în care lucrează (tracţiune sau frânare), convertorul de 4 cadrane funcţionează în toate cele 4 cadrane ale planului (u2,i2), justificând astfel alegerea denumirii sale.

Fig.9.34 Schema circuitelor electrice principale ale unei locomotive de mare viteză de tip B0’ B0’alimentată din LC de c.a.

1-Încălzire tren; 2-Alimentare convertoare 900 V; 3-Alimentare servicii auxiliare 200V B1=boghiul 1; B2=boghiul 2

Page 88: 83365264 Tractiune Electrica Curs

87

9.7 ARHITECTURI DE CIRCUITE ELECTRICE PRINCIPALE EXISTENTE PE LRE CU MOTOARE ASINCRONE

9.7.1 LRE alimentate din LC de c.a. monofazat

Locomotivele şi ramele electrice de mare viteză echipate cu motoare

asincrone şi alimentate de la linia de contact de curent alternativ au obligatoriu un transformator principal şi două stadii de conversie a energiei electrice (fig.9.3, b). Indiferent de parametrii tensiunii din linia de contact (15kV 16⅔Hz sau 25kV 50/60 Hz), convertorul de reţea este un convertor de 4 cadrane (C4Q), iar convertorul de maşină este un invertor de tensiune (IT). În această categorie a LRE de mare viteză se includ: InterCity Express-ICE (Deutsche Bundesbahn), Shinkansen (Japan Railway Company), X2000 (Swedish State Railways) şi Re4/4 460 (Swiss Federal Railways) toate rulând cu viteze de peste 200 km/h. Pentru fiecare dintre aceste trenuri există în studiu variante modernizate care să depăşească viteza de 300 km/h. Reprezentativ din punctul de vedere al arhitecturii circuitelor electrice principale ale trenurilor de mare viteză cu motoare asincrone alimentate de la linia de contact de c.a. este trenul InterCity Express (ICE), derivat din InterCity Experimental. Trenul a fost proiectat pentru viteza de 350 km/h şi în anul 1988 a stabilit primul record mondial de viteză de 406 km/h. Locomotivele trenului de mare viteză ICE sunt de tipul B0’B0’, cu douăboghiuri motoare (notate cu B1 şi B2 în fig.9.34) fiecare cu câte două motoare asincrone de tracţiune. Schema utilizată (fig.9.34) permite frânarea recuperativăfără schimbarea configuraţiei circuitului şi schimbarea sensului de mers prin simpla modificare a succesiunii pulsurilor de alimentare a motoarelor asincrone. Deoarece structura pe fază a convertorului de patru cadrane este identică cu cea a invertorului de tensiune, pe vehicule se practică modularizarea echipa-mentelor utilizându-se câte 2 „module” pentru C4Q şi 3 „module” pentru IT. Schema circuitelor electrice principale este identică pentru fiecare boghiu şieste compusă din două convertoare de 4 cadrane (C4Q) şi 2 invertoare de tensiune cu 2 nivele (IT) în varianta cu tiristoare (fig.9.35 a) sau din 2 convertoare de 4 cadrane (C4Q) şi 1 invertor de tensiune cu 2 nivele (IT) în varianta cu GTO-uri (fig.9.35 b). Există de asemenea diferenţe, între cele douăvariante, determinate de structura pe fază diferită a convertoarelor (fig.9.11 şifig.9.12). Conceperea sistemelor de acţionare identice la nivel de boghiu va permite o alimentare independentă a motoarelor fiecărui boghiu ín parte. Acesta constituie un avantaj în cazul apariţiei unor inegalităţi între diametrele roţilor motoare corespunzătoare diferitelor boghiuri (motoarele putând să funcţioneze cu viteze diferite, dar cu aceeaşi încărcare) precum şi în cazul defectării unei componente a unuia din sistemele de acţionare (când sistemul de acţionare corespunzător motorului respectiv este eliminat, prin izolare galvanică, puterea totală atrenului reducându-se doar cu un sfert). Sistemul de propulsie bazat pe convertor de patru cadrane - invertor de

Page 89: 83365264 Tractiune Electrica Curs

88

tensiune permite alimentarea motoarelor asincrone cu tensiuni şi frecvenţevariabile, astfel încât acestea să dezvolte forţele de tracţiune impuse. Ca metode de frânare se folosesc frânarea recuperativă, frânarea cu curenţi turbionari şifrânarea mecanică pe disc. Controlul trenului este bazat pe sistemul de tracţiune computerizat SIEMENS-SIBAS16. O altă variantă de schemă electrică de forţă (specifică trenurilor elveţiene), foloseşte sistemul convertor de 4 cadrane cu trei nivele - invertor de tensiune cu 3 nivele (fig.9.36). Spre deosebire de varianta precedentă (cu invertor cu 2 nivele) acest sistem nu necesită inductanţe suplimentare (sau filtre de reţea) şi

Fig.9.35 Schema circuitelor electrice principale ale trenului ICE corespunzătoare unui boghiu a) varianta cu tiristoare; b) varianta cu GTO-uri

Page 90: 83365264 Tractiune Electrica Curs

89

este prevăzut în plus cu posibilitatea frânării dinamice (reostatice). Comanda tiristoarelor din circuitele de frânare reostatică se face în condiţia creşterii valorii tensiunii din circuitul intermediar (de curent continuu), ceea ce fizic denotă o lipsă de receptivitate în linia de contact. În cazul utilizării GTO-urilor, pentru o frecvenţă de comutaţie a convertorului de patru cadrane (C4Q) de 200 Hz şi în cazul funcţionării intercalate a celor 4 convertoare C4Q, în reţea vor fi simţite numai armonici cu frecvenţa mai mare de 1600 Hz. În concluzie, independent de nivelul tensiunii alternative din linia de contact, toate motoarele asincrone de tracţiune ale unui tren de mare viteză (în cazul absenţei patinării) sunt cuplate mecanic rigid prin intermediul transmisiilor şi al contactelor roată-şină. Existenţa unor posibile diferenţe între diametrele roţilor motoare va determina doar funcţionarea motoarelor asincrone de tracţiune cu viteze unghiulare uşor diferite, dar proporţionale cu viteza trenului.

9.7.2 LRE alimentate din LC de c.c.

Conform celor prezentate în §9.5, în cazul trenurilor de mare viteză cu motoare asincrone alimentate de la linia de contact de curent continuu,

Fig.9.36 Schema circuitelor electrice principale ale locomotivei Re4/4 460

Page 91: 83365264 Tractiune Electrica Curs

90

convertorul de reţea C2Q (convertorul de 2 cadrane) va fi prezent în schemănumai în situaţia în care invertorul de tensiune este realizat cu tiristoare convenţionale. În cazul utilizării GTO-urilor, sistemul de acţionare va fi compus numai din convertorul de maşină (un invertor de tensiune cu 2 sau cu 3 nivele). Reprezentative (din punctul de vedere al arhitecturii circuitelor electrice principale) sunt trenurile italiene din seria ETR (sau Pendolino), trenuri care rulează cu viteze maxime de 300 km/h. Specific acestor trenuri este sistemul de înclinare, care face posibilă creşterea vitezei în curbe fără modificarea căii ferate existente şi care asigură pasagerilor un excelent nivel de confort prin înclinarea suplimentară (în curbe) a cutiei cu 8o, ceea ce corespunde unei compensări a acceleraţiei centrifuge de până la 1,35m/s2.

În cazul trenului de mare viteză italian ETR 500, aflat în exploatare, sistemul de acţionare electrică corespunzător unui boghiu motor este format dintr-un invertor de tensiune cu 3 nivele care alimentează (în paralel) 2 motoare asincrone de tracţiune (fig.9.37). Invertorul de tensiune cu 3 nivele este realizat cu GTO-uri şi, conform celor prezentate în §9.4.3, alimentează direct (fără inductanţe suplimentare) câte douămotoare asincrone de tracţiune. Sistemul de acţionare electrică este separat pe boghiuri, ca şi în cazul trenului german ICE, având aceleaşi avantaje. Filtrul de reţea (L-C) în fig.9.37 prezent pe orice tren alimentat de la linia de contact de curent continuu are rolul de a filtra armonicile de curent şi de

Fig.9.37 Schema circuitelor electrice principale ale trenului ETR 500

Page 92: 83365264 Tractiune Electrica Curs

91

tensiune determinate de funcţionarea convertoarelor din schema de acţionare, armonici care pot perturba funcţionarea corectă a instalaţiilor de cale şi aliniilor de telecomunicaţii din vecinătate. Sistemul de acţionare electrică permite frânarea recuperativă fără schimbarea configuraţiei circuitului, iar în cazul inexistenţei receptivităţii în linia de contact este posibilă frânarea reostatică pe rezistenţa de frânare RF şi de asemenea un control al frânării cu ajutorul chopperului de frânare VF.

Controlul trenului se realizează cu ajutorul sistemului computerizat MICAS dezvoltat de firma ABB şi bazat pe auto-controlul direct (DSC). În varianta de prototip, trenul ETR 500 a fost conceput pe bază de tiristoare, fiind deci prevăzut şi cu convertor de reţea C2Q (fig.9.38). Cele două invertoare de tensiune IT alimentau prin intermediul inductanţelor suplimentare douămotoare asincrone de tracţiune prevăzute cu 6 înfăşurări statorice, soluţie folo-sită în tracţiune ca alternativă la utilizarea invertorului de tensiune cu trei nivele. Frânarea electrică era fie recuperativă (căci convertorul de 2 cadrane permitea regimul recuperativ), fie reostatică (prin intermediul sistemului RF-VF).

9.7.3 LRE cu alimentare policurent/ polifrecvenţă

Coexistenţa, în Europa, a diferitelor sisteme de tracţiune electrică cu alimentări standardizate la valorile: - 25 kV (50Hz) şi 15 kV (16⅔Hz) în liniile de contact de curent alternativ şi

- 1,5 kV şi 3 kV în liniile de contact de curent continuu, au impus

Fig.9.38 Schema circuitelor electrice principale ale prototipului trenului ETR 500

Page 93: 83365264 Tractiune Electrica Curs

92

construirea de locomotive şi trenuri electrice de mare viteză care să poatăfuncţiona (cu performanţe comparabile) în condiţiile a cel puţin două sisteme diferite de alimentare. Trenurile de mare viteză construite iniţial pentru funcţionarea policurent sunt AVE (Alta Velocidad Espanola) şi mai nou Eurostar. În prezent aproape toate trenurile prezentate în §9.7.1 şi §9.7.2 sunt sau pot fi prevăzute cu un sistem suplimentar, care să permită alimentarea policurent/polifrecvenţă. Pentru majoritatea trenurilor de mare viteză alimentate în c.a./.c.c. (fig.9.3, c), acest sistem suplimentar este relativ simplu, constând în principal dintr-un filtru de reţea cuplat la circuitul intermediar de curent continuu. O arhitectură specială are sistemul de acţionare al trenului de mare vitezăspaniol AVE S252 (fig.9.39). Aceasta permite atât alimentarea de la linia de contact de curent alternativ (25kV, 50Hz) cât şi de la linia de contact de curent continuu (3kV), având configuraţii adaptabile fiecărui tip de alimentare. Selectarea configuraţiei (la trecerea de la un sistem de alimentare la altul), se face prin combinaţiile corespunzătoare ale contactoarelor din schema generală(fig.9.39). În cazul alimentării de la linia de contact de curent alternativ monofazat, schema de acţionare, corespunzătoare fiecărui boghiu motor, presupune utilizarea a trei convertoare de 4 cadrane C4Q conectate în paralel. Se observăaici existenţa a 3x2=6 module pentru convertoarele de 4 cadrane şi a 2x3=6 module pentru invertoarele de tensiune cu două nivele (fig9.40, a). În cazul alimentării de la linia de contact de curent continuu sunt utilizate numai 4 module ce compun convertorul de reţea şi care funcţionează dupăschema a două convertoare de 2 cadrane C2Q în paralel pentru circuitul fiecărui motor de tracţiune (fig.9.40,b).

Fig.9.39 Schema generală a circuitelor electrice principale (corespunzătoare unui boghiu motor) în cazul trenului AVE S252

Page 94: 83365264 Tractiune Electrica Curs

93

Fig.9.40 Configuraţia circuitelor electrice principale pe fiecare boghiu motor în cazul trenului AVE S252

a) la alimentare în curent alternativ ; b) la alimentare în curent continuu

Page 95: 83365264 Tractiune Electrica Curs

94

Capitolul 1111111100000000

LOCOMOTIVE ŞI RAME ELECTRICE CU MOTOARE SINCRONE DE TRACTIUNE

10.2 STRUCTURA CIRCUITELOR ELECTRICE PRINCIPALE ALE LRE DE MARE VITEZĂ CU MOTOARE SINCRONE DE TRACŢIUNE

Pentru a putea fi utilizat pe locomotivele şi ramele electrice de mare viteză,

motorul sincron de tracţiune trebuie alimentat de la un convertor de curent (convertor de maşină CM) ce va funcţiona ca invertor de curent IC comutat de tensiunile contraelectromotoare induse în înfăşurarea statorică a MS. Spre deosebire de LRE cu motoare asincrone, la transmisia electrică a puterii pe LRE cu motoare sincrone de tracţiune, funcţiile „reglajului de tensiune” şi„reglajului de frecvenţă” sunt complet separate. Concret, reglajul de tensiune este asigurat ca în tracţiunea clasică (cu motoare de c.c.) de către VTC-uri sau de către punţi redresoare monofazate mixte (semicomandate) de tip asimetric. În schimb, reglajul de frecvenţă este asigurat chiar de către invertoarele de curent prin care se alimenteazămotoarele sincrone de tracţiune. Deci, locomotivele şi ramele electrice de mare viteză cu motoare sincrone de tracţiune vor fi prevăzute obligatoriu cu două stadii de conversie a energiei electrice. Aşadar, se impune prezenţa convertorului de reţea CR atât în cazul alimentării LRE de la linia de contact de c.a. (fig.10.1) cât şi în cazul alimentării

Fig.10.1 Structura schemelor de forţă ale LRE cu motoare sincrone de tracţiune alimentate de la linia de contact de c.a.

CR = convertor de reţea; CA = dispozitiv de realizare a „comutaţiei asistate”; L = bobină de netezire (cu miez de fier); CM = convertor de maşină; MS = motor sincron; TP = traductor de poziţie

Page 96: 83365264 Tractiune Electrica Curs

95

LRE de la linia de contact de c.c.(fig.10.2). Ca motor de tracţiune, motorul sincron funcţionează în regim autopilotat, impulsurile de comandă ale tiristoarelor invertorului de curent (sincronizate cu tensiunile induse) fiind corelate cu poziţia rotorului, graţie traductorului de poziţie TP. La funcţionarea cu viteze mici, când tensiunile contraelectromotoare nu mai pot asigura comutaţia tiristoarelor invertorului de curent, se apelează la "comutaţia asistată" realizată de dispozitivul auxiliar CA. În cazul locomotivelor şi ramelor electrice de mare viteză cu motoare sincrone de tracţiune alimentate de la linia de contact de c.a., convertorul de reţea CR este compus dintr-un sistem de redresoare monofazate (complet sau parţial comandate) montate în serie (pentru îmbunătăţirea factorului de putere). În schimb, în cazul alimentării LRE de la linia de contact de c.c., convertorul de reţea este un clasic VTC (cu funcţionare în 1 sau 2 cadrane). În concluzie, structura convertoarelor de reţea, în ambele situaţii, este asemănătoare soluţiilor clasice (cu redresoare şi VTC-uri) şi de aceea nu se va insista asupra lor. În schimb se va analiza funcţionarea sistemului invertor de curent-motor sincron, structura sa fiind identică pentru ambele tipuri de alimentări din linia de contact.

10.3 MOTORUL SINCRON DE TRACŢIUNE

10.3.1 Generalităţi

În cazul alimentării din reţeaua trifazată industrială cu tensiune constantă(U=ct.) şi frecvenţă constantă (f=ct.), motorul sincron va funcţiona la o turaţie n=60·f/p riguros constantă. În plus, el va prezenta şi riscul pierderii sincronismului (şi al apariţiei oscilaţiilor electromecanice) la variaţii bruşte de sarcină.

Contrar acestei comportări, ca motor de tracţiune, motorul sincron va trebui sădezvolte cupluri electromagnetice (însemnate) la turaţii variabile (de la pornire şipână la viteza maximă). Prin urmare este necesară alimentarea motorului sincron de la un convertor static de frecvenţă variabilă.

Fig.10.2 Structura schemelor de forţă ale LRE cu motoare sincrone de tracţiune alimentate de la linia de contact de c.c.

FR = filtru de reţea; CR = convertor de reţea; CA = dispozitiv de realizare a „comutaţiei asistate”; L = bobină de netezire(cu miez de fier); CM = convertor de maşină;

MS = motor sincron; TP = traductor de poziţie

Page 97: 83365264 Tractiune Electrica Curs

96

Doar în aceste condiţii motorul sincron devine competitiv cu motorul de tracţiune de curent continuu (şi numai la puteri mari), adică exact în domeniul de aplicaţii al tracţiunii electrice feroviare. Concret, s-au construit motoare sincrone de tracţiune cu puteri unitare de 800kW şi de 1100kW (în regim continuu) cu ventilaţie forţată, de tip axial (cu canale axiale în miezul statoric). Rotorul, în construcţie cu 2p=6 poli aparenţi, suportă o viteză periferică ridicată(90 m/s) la turaţia maximă de 4000 rot/min. În tălpile polare, în crestături ştanţate, sunt introduse bare de cupru (de secţiune circulară) scurtcircuitate la capete de două inele. Acestea formează o colivie (completă) de amortizare cu rolul diminuării reactanţelor supratranzitorii ceea ce asigură o bună comutaţie a curenţilor statorici. Curentul de excitaţie este adus la înfăşurarea rotorică prin soluţia clasică,formată din: - două inele colectoare din oţel inoxidabil şi

- perii din electrografit (cu durata de viaţă de peste „1 milion de km” parcurşi). Celelalte elemente constructive (arborele, carcasa, scuturile, lagărele etc.) sunt exact ca în soluţiile clasice, dar executate mai îngrijit.

10.3.2 Modelul motorului sincron în regim permanent armonic

Pentru început vom reaminti ecuaţiile şi diagramele fazoriale ale motorului sincron nesaturat magnetic în condiţii ideale de funcţionare, adică cu tensiuni (la borne) şi curenţi (prin înfăşurări) cu variaţii sinusoidale în timp. Ecuaţiile sunt scrise în complex simplificat, cu utilizarea convenţiei de la receptoare, pentru fiecare tip constructiv de motor sincron. 1. În cazul motorului sincron cu poli înecaţi, ecuaţia de tensiuni, pe fază, este: EE;IjX +IR+E=U 0p0s10p −=⋅ (10.1) În ecuaţia (10.1) cu E0p s-a notat tensiunea contraelectromotoare (-E0) indusă în înfăşurarea statorică de fază, cu Xs=Xa+X1σ s-a notat reactanţa sincronă,Xa = reactanţa reacţiei indusului şi X1σ = reactanţa de scăpări pe fază a indusului. Geometric, fazorul I poate fi poziţionat fie în urma fazorului U (cazul defazajului inductiv) fie înaintea fazorului U (cazul defazajului capacitiv). Cele două situaţii distincte sunt reprezentate grafic în fig.10.3. Fizic, ele corespund funcţionării subexcitate (cu Ie<IeN) şi respectiv supraexcitate (cu Ie>IeN) a motorului sincron. 2. În cazul motorului sincron cu poli aparenţi se utilizează metoda Blondel (a dublei reacţii) de descompunere a fluxului de reacţie Ψa (respectiv a curentului indusului I) în două componente (după axele d şi q ale rotorului) ca mai jos: I+I=I;IL=;IL=; qdqaqaqdadadaqada ⋅Ψ⋅ΨΨ+Ψ=Ψ (10.2) Pe această bază, forma finală a ecuaţiei de tensiuni (pe fază) a motorului sincron cu poli aparenţi devine:

0p0qqdd10p EE;IjX +IjX +IR+E=U −=⋅⋅⋅ (10.3) În ecuaţia (10.3) cu E0p s-a notat tensiunea contraelectromotoare (-E0) indusă în

Page 98: 83365264 Tractiune Electrica Curs

97

înfăşurarea de fază; cu Xd=Xad+X1σ s-a notat reactanţa sincronă longitudinală (Xad = reactanţa reacţiei longitudinale) şi cu Xq=Xaq+X1σ s-a notat reactanţa sincronătransversală (Xaq = reactanţa reacţiei transversale). Deoarece motorul sincron cu poli aparenţi este anizotrop magnetic rezultă căLad≠Laq (deci şi Ld≠Lq coeficientul de anizotropie γ (subunitar) fiind definit de:

1XX

LL

ad

aq

ad

aq <==γ (10.4)

Diagrama fazorială Blondel a motorului sincron cu poli aparenţi este reprezentată în fig.10.4 atât pentru funcţionarea în regim inductiv (cu fazorul I în urma fazorului U) cât şi capacitiv (cu fazorul I înaintea fazorului U). Din nou, fizic cele două cazuri corespund funcţionării „subexcitate” (cu Ie<IeN) şi respectiv „supraexcitate” (cu Ie>IeN) a motorului sincron. Precizare: În diagramele fazoriale din fig.10.3 şi fig.10.4, unghiurile φ şi ψ s-au măsurat de la fazorul I către fazorii U şi respectiv E0p, iar semnul acestora (+ sau -) va rezulta imediat în raport cu sensul trigonometric direct (sens figurat în partea superioară a figurilor).

θ

ψϕ

ϕ

θ ψ

ϕ ψϕ ψ θ

ϕϕ

ψψ θ

Fig.10.3 Diagrama fazorială a motorului sincron cu poli înecaţia) funcţionare subexcitată (curent I inductiv); b) funcţionare supraexcitată (curent I capacitiv)

Page 99: 83365264 Tractiune Electrica Curs

98

10.3.3 Cuplul electromagnetic

Cuplul electromagnetic M (respectiv puterea electromagnetică PM= M·Ω cu Ω=ω/p) dezvoltat de orice motor sincron se determină, prin calcul, din bilanţul de puteri active, ca mai jos:

211J1M IR3cosIU3pPP ⋅⋅−ϕ⋅⋅⋅=−= (10.5)

)IRcosIU(p3PM 21

M ⋅−ϕ⋅⋅⋅ω⋅=

Ω= (10.6)

Pentru generalizare, vom considera cazul motorului sincron cu poli aparenţi, cu referire la diagrama fazorială din fig.10.4 (poz.a), la care, componentele curentului I şi ale tensiunii U pe axele d şi q sunt:

Ψ⋅=Ψ⋅= cosII;sinII qd (10.7) θ⋅=θ⋅= cosUU;sinUU qd (10.8)

Dacă se ţine cont că φ=ψ+θ şi se dezvoltă trigonometric funcţia cos (ψ+θ): θ⋅−θ⋅=θ⋅Ψ⋅−θ⋅Ψ⋅=ϕ⋅ sinIcosIsinsinIcoscosIcosI dq (10.9)

iar în expresia puterii active U·I·cosφ se evidenţiază componentele Ud şi Uq:ddqqdq UIUI)sinU(I)cosU(IcosIU ⋅−⋅=θ⋅⋅−θ⋅=ϕ⋅⋅ (10.10)

atunci formula (10.6) de calcul a cuplului electromagnetic M devine:

θ

ϕψ

θ

ψ

ϕ

ϕϕ

ψψ θ ψ

ϕϕ

ψθ

θ θ

Fig.10.4 Diagrama fazorială Blondel a motorului sincron cu poli aparenţia) funcţionare subexcitată (curent I inductiv); b) funcţionare supraexcitată (curent I capacitiv)

Page 100: 83365264 Tractiune Electrica Curs

99

)IRUIUI(p3M 21ddqq ⋅−⋅−⋅⋅

ω⋅= (10.11)

Tot din diagrama fazorială (fig.10.4.a) prin proiecţia conturului de fazori pe axele d şi q se obţin ecuaţiile de tensiuni sub formă scalară, pe componente:

ddq1p0q

qqd1d

IXIREU

IXIRU

⋅+⋅−=

⋅+⋅−=(10.12)

Dacă acum se evaluează termenul Iq·Uq - Id·Ud ca mai jos: 2

1qdqdqp0ddqq IRII)XX(IEUIUI ⋅+⋅⋅−+⋅=⋅−⋅ (10.13) atunci expresia cuplului electromagnetic M dat de (10.11) capătă forma compactă:

]II)XX(IE[p3M qdqdqp0 ⋅⋅−+⋅ω⋅= (10.14)

La motorul sincron cu poli înecaţi, când Xd=Xq=Xs, dispare componenta datorată anizotropiei magnetice din formula de calcul (10.14). Concret, expresia finală a cuplului electromagnetic M va depinde de tipul sursei de alimentare a motorului sincron (sursă de tensiune sau sursă de curent).

10.3.3.1 Cuplul electromagnetic la alimentarea de la o sursă trifazatăde tensiuni sinusoidale

În cazul alimentării de la o sursă trifazată de tensiuni sinusoidale, fazorul

tensiunii U (la bornele înfăşurării statorice de referinţă) este precizat prin mărimea sa |U|=U şi prin faza sa iniţială (prin unghiul de poziţie) θ faţă de axa q a rotorului. (Unghiul θ este chiar unghiul intern al motorului sincron.) Deci, implicit sunt precizate şi componentele scalare Ud şi Uq (10.8) ale tensiunii statorice U. În aceste condiţii de alimentare, curenţii Id şi Iq care se stabilesc în regim staţionar verifică sistemul (10.12) adicămatematic reprezintă chiar soluţia lui. Prin rezolvarea sistemului (10.12) rezultă expresiile componentelor Id şi Iq :

21qd

p01d21qd

p0q1ddq

21qd

1p0q21qd

d1p0qqd

RXX)EcosU(RsinUX

RXX)EU(RUX

I

RXXsinUR)EcosU(X

RXXUR)EU(X

I

+⋅

−θ⋅+θ=

+⋅

−⋅+=

+⋅

θ⋅−−θ=

+⋅

⋅−−=

(10.15)

În aproximaţia unanim acceptată a neglijării rezistenţei de fază R1, expresiile componentelor Id şi Iq capătă valorile limită:

qq

dq0R

d

p0

d

p0qd0R

XsinU

XUIlim

XEcosU

XEU

Ilim

1

1

θ==

−θ=

−=

(10.16)

Cu expresiile (10.16) pentru Id şi Iq, formula de calcul (10.14) a cuplului electromagnetic MU=M poate fi prelucrată succesiv ca mai jos:

Page 101: 83365264 Tractiune Electrica Curs

100

qd

qdqp0

d

p0qdp0

q

dqdp0qU

XXcosU)XX(XE

sinUp3

]X

EcosU)XX(E[

XsinUp3

]I)XX(E[Ip3M

⋅θ⋅−+

θ⋅ω⋅=

=−θ

⋅−+θ⋅

ω⋅=

=⋅−+ω⋅=

(10.17)

Forma finală a expresiei cuplului electromagnetic M=MU, după desfacerea în fracţii simple a relaţiei (10.17), devine:

]2sin)X1

X1(U

21sin

XEU

[p3Mdq

2

d

p0U θ⋅−+θ

⋅ω⋅= (10.18)

Această relaţie este întâlnită în toate tratatele clasice de maşini electrice. La U=ct., f=ct. şi curent de excitaţie Ie=ct. (când şi E0p=ct.), cuplul electromagnetic MU depinde doar de unghiul intern θ.

Caracteristica MU=f(θ) este reprezentată cu linie groasă (în cazul motorului cu poli aparenţi) în fig.10.5 şi este cunoscută sub numele de caracteristică unghiularăstatică a motorului sincron. În plus, se observă căMU=MU’+MU”.

Componenta principală θ⋅

⋅ω⋅= sin

XEUp3Md

p0'U este dependentă de gradul de

excitaţie (de mărimea curentului Ie) , pe când componenta secundară

θ⋅−⋅⋅ω⋅= 2sin)

X1

X1(

2Up3M

dq

2"U este cauzată de asimetria magnetică a rotorului

şi este prezentă (şi nenulă) chiar şi în absenţa excitaţiei (când Ie=0) a motorului sincron.

Fig.10.5Caracteristica unghiularăMU=f(θ) la alimentarea cu tensiuni sinusoidale în cazul MS cu poli aparenţi

Page 102: 83365264 Tractiune Electrica Curs

101

10.3.3.2 Cuplul electromagnetic la alimentarea de la o sursă trifazatăde curenţi sinusoidali

În cazul alimentării de la o sursă trifazată de curenţi sinusoidali, fazorul

curentului I (prin înfăşurarea statorică de referinţă) este precizat prin mărimea sa |I|=I şi prin faza sa iniţială (prin unghiul de poziţie) ψ faţă de axa q a rotorului. Deci, în mod implicit sunt precizate şi componentele Id şi Iq (10.7) ale curentului statoric I. În aceste condiţii de alimentare, cuplul electromagnetic MI=M se determină cu relaţia (10.14) în care se fac substituţiile precizate de (10.7). Rezultă expresia:

]cossinI)XX(cosIE[p3M 2qdp0I Ψ⋅Ψ⋅−+Ψ⋅⋅

ω⋅= (10.19)

sau, în final:

]2sin)XX(I21cosIE[p3M qd

2p0I Ψ⋅−+Ψ⋅⋅⋅

ω⋅= (10.20)

În general se observă prezenţa a două componente MI’ şi MI” încât pe baza relaţiei (10.20) se poate scrie MI=MI’+MI”.

Componenta principală Ψ⋅⋅ω⋅= cosIEp3M p0

'I este dependentă de gradul de

excitaţie (de mărimea curentului Ie), pe când componenta secundară

Ψ⋅−⋅⋅ω⋅= 2sin)XX(

2Ip3M qd

2"I

este cauzată de asimetria magnetică a rotorului,

fiind prezentă (şi nenulă) chiar şi în absenţa excitaţiei motorului sincron. La I=ct., f=ct. şi curent de excitaţie Ie=ct. (când E0p=ct.), cuplul electromagnetic MI depinde numai de unghiul de sarcină ψ.

Pentru motorul sincron cu poli aparenţi, caracteristica MI = f(ψ) este reprezentată (cu linie groasă) în fig.10.6.

Fig.10.6Caracteristica MI = f(ψ) a MS cu poli aparenţila alimentarea de la o sursă trifazată decurenţi sinusoidali

Page 103: 83365264 Tractiune Electrica Curs

102

În cazul motoarelor cu poli înecaţi în care Xd=Xq=Xs componenta secundarădispare (MI”=0) iar caracteristica de sarcină MI = f(ψ) se reduce la componenta principală cu variaţie cosinusoidală.

Observaţie. Dacă în formula cuplului MI (10.20) se fac substituţiile:

ddom

1w1p0 LX);2

kw(E ⋅ω=Φ⋅⋅ω= şi qq LX ⋅ω= (10.21)

atunci expresia cuplului electromagnetic MI (la alimentarea în curent) devine:

Ψ⋅−⋅+Ψ⋅Φ

⋅⋅= 2sin)LL(I2p3cosI)

2kw(p3M qd

2om1w1I (10.22)

În relaţiile (10.21) şi (10.22), semnificaţia fizică a noilor mărimi este următoarea: w1 = numărul de spire, în serie, pe o fază statorică a motorului sincron; kw1 = factorul de înfăşurare al unei faze statorice; Φom = valoarea maximă a fluxului magnetic principal, dependentă de mărimea curentului de excitaţie Ie, adică Φom=f(Ie); Ld = inductanţa longitudinală a înfăşurării statorice şi

Lq = inductanţa transversală a înfăşurării statorice a motorului sincron. În particular, pentru ψ=0 (când Id=0 şi Iq=I), expresia cuplului electromagnetic MI (10.22) devine:

IKI)2

kw(p3MM omom

1w1'II ⋅Φ⋅=⋅

Φ⋅== (10.23)

adică o formă identică cu expresia cuplului electromagnetic M=Cm·Φ·I al unui motor de c.c. (cu colector) cu excitaţie separată. (În relaţia 10.23, cu K s-a notat

constanta constructivă2

1kwp3K 1w1 ⋅⋅= a motorului sincron.)

Aşa cum se observă din expresia (10.22), la Ie=ct., I=ct. şi ψ=ct. , cuplul electromagnetic MI este constant (şi nenul), independent de valoarea numericăconcretă a frecvenţei „f” a curenţilor statorici (de alimentare). Tocmai existenţa cuplului electromagnetic MI (10.22), nenul la alimentarea în curent de mărime I şi defazaj ψ=ct. (în raport cu tensiunea contraelectromotoare Eop) a dus la dezvoltarea aplicaţiilor motorului sincron în tracţiunea electrică.

Pe locomotivele şi ramele electrice, motorul sincron este alimentat de la un invertor de curent (tiristorizat), cu comutaţie naturală, produsă chiar de tensiunile contraelectromotoare Eop (induse în înfăşurările statorice ale motorului sincron). Pentru asigurarea defazajului ψ (al fundamentalei curentului I înaintea t.c.e.m. Eop), comanda amorsării tiristoarelor se face în funcţie de semnalele provenite de la un traductor de poziţie, solidar cu rotorul. Deci, motorul sincron pilotează invertorul care-l alimentează, adică este un motor asincron autopilotat.

Page 104: 83365264 Tractiune Electrica Curs

103

10.4 MOTORUL SINCRON AUTOPILOTAT ALIMENTAT DE LA UN INVERTOR DE CURENT CU COMUTAŢIE NATURALĂ

Sursa trifazată de curenţi, cea mai convenabilă pentru alimentarea unui motor sincron, este invertorul de curent cu comutaţie naturală. Şi asta din cauza preţului scăzut, a fiabilităţii mărite şi a gabaritului redus (datorat, în principal absenţei circuitelor auxiliare de stingere). În acelaşi context se reaminteşte că, în funcţionare, motorul sincron posedă un sistem trifazat de tensiuni contraelectromotoare alternative induse (-e0A, -e0B, -e0C)care pot asigura comutaţia tiristoarelor unei punţi trifazate exact la fel cum tensiunile alternative ale reţelei trifazate asigurau comutaţia tiristoarelor punţii redresoare. Însă, pentru asigurarea comutaţiei naturale a punţii tiristorizate, t.c.e.m. induse trebuie să aibă valori suficient de mari, chiar la viteze mici ceea ce impune ca motorul sincron (de la pornire şi până la viteza nominală) să funcţioneze supraexcitat. Supraexcitarea motorului sincron va conduce la curenţi I (prin înfăşurări) defazaţi înaintea tensiunii U (defazaj φ de tip capacitiv ca în fig.10.3.b şi10.4.b), caz în care motorul va furniza (pe la borne) şi puterea reactivă necesarăcomutaţiei punţii invertorului. Pentru asigurarea defazajului capacitiv al curentului, comanda aprinderii tiristoarelor punţii se va face în funcţie de semnalele provenite de la un traductor de poziţie rotoric. (Prin aceasta se corelează poziţia fazorului curent I faţă de axa „d” a rotorului). De cealaltă parte (pe partea de c.c.), invertorul autonom de curent (IC) trebuie conectat la o „sursă reglabilă de curent continuu”. În mod uzual, o „sursă reglabilă de curent continuu” este alcătuită dintr-o sursăreglabilă de tensiune continuă (de tipul VTC-urilor sau a punţilor redresoare monofazate cu reglaj de fază) conectată în serie cu o bobină de netezire cu miez de fier, cu inductanţa L0, de mărime foarte mare. Deci, configuraţia schemei motorului sincron autopilotat alimentat de la un invertor autonom de curent arată ca în fig.10.7. Ea conţine motorul sincron supraexcitat (SM), o punte trifazată tiristorizată (IC), un traductor de poziţie (TP) şio bobină de netezire (cu parametrii R0 şi L0).

α

Fig.10.7 Motorul sincron autopilotat alimentat printr-un invertor de curent cu comutaţie naturalăMS = motor sincron; Ex. = înfăşurare de excitaţie; TP = traductor de poziţie (al rotorului);

IC = invertor trifazat de curent; L0, R0 = inductanţa şi rezistenţa bobinei de netezire

Page 105: 83365264 Tractiune Electrica Curs

104

Alimentarea fiind de tip sursă de curent, rezultă că reversibilitatea ansamblului MS+IC poate fi realizată doar prin schimbarea de semn (prin inversarea polarităţii) a tensiunii medii Vdα (pe partea de c.c.), deci prin comanda punţii trifazate (IC) în regim de redresor.

10.4.1 Detectarea poziţiei rotorului

Spre deosebire de puntea tiristorizată conectată la reţeaua trifazată (la care impulsurile de aprindere ale tiristorilor erau generate plecând de la tensiunile alternative ale reţelei), în cazul punţii tiristorizate de faţă (prin care se alimenteazămotorul sincron autopilotat), generarea impulsurilor de aprindere ale tiristorilor trebuie corelată cu deplasarea rotorului. Concret, în cazul unui motor sincron cu 2p poli magnetici, captatorul de poziţie al rotorului trebuie să genereze 6·p „ordine de comandă” (la fiecare rotaţie completă a rotorului) pentru aprinderea tiristoarelor punţii IC. Trebuie precizat că „ordinele de comandă” a aprinderii tiristoarelor se dau evolutiv (în timp) pe măsură ce rotorul se roteşte! În concluzie, în astfel de condiţii, este necesar să se prevadă un dispozitiv care săajute funcţionarea punţii tiristorizate (IC). Acesta are nevoie, pentru pilotarea sa, de cunoaşterea poziţiei unghiulare a rotorului. În acest scop, motorul sincron de tracţiune va fi prevăzut cu:

- un disc dinţat din Ol, solidar cu rotorul, precis poziţionat în raport cu polii inductori şi

- un ansamblu de captatori, fixaţi de stator şi precis poziţionaţi în raport cu crestăturile miezului statoric.

Trecerea succesivă a dinţilor şi a crestăturilor discului dinţat pe sub captatorii de poziţie, permit aflarea, la orice moment de timp, a poziţiei exacte a rotorului. În funcţie de poziţia rotorului astfel detectată se stabileşte comanda tiristorilor de alimentare a înfăşurărilor statorice de fază astfel încât cuplul electromagnetic dezvoltat de motor să fie maxim posibil. Observaţie. În principiu, captatorii statorici pot fi şi decalaţi cu scopul de a defaza ordinele de comandă (ale aprinderii tiristorilor) în raport cu poziţia roţii polare. Prin această măsură se poate controla unghiul de defazaj ψ dintre curent şit.c.e.m. de pe fiecare fază. Însă, pe motoarele sincrone moderne de tracţiune, unghiul ψ este controlat electronic, prin defazarea electronică a semnalelor generate de captatorii de poziţie. În acest mod, la pornire se poate obţine un cuplu de demaraj de circa 2 ori mai mare decât cuplul nominal la curenţi de numai 1,4 ori valoarea nominală.

Uzual, dispozitivul pentru detectarea poziţiei rotorului este amplasat în interiorul motorului sincron de tracţiune, fiind situat pe partea opusă capătului de arbore rotoric (este opus atacului de osie).

10.4.2 Diagramele curenţilor

Studiul funcţionării în comun a invertorului de curent şi a motorului sincron în regim autopilotat se poate face numai în contextul schemei de alimentare din

Page 106: 83365264 Tractiune Electrica Curs

105

fig.10.7. Aceasta este cea mai simplă alimentare la frecvenţă variabilă a motorului sincron. Motorul sincron va fi supraexcitat iar t.c.e.m. trifazate induse (-e0A, -e0B,-e0C), de frecvenţă f=ω/2π, vor fi capabile să conducă comutaţia tiristoarelor invertorului de curent la orice viteză Ω>Ωmin fără riscul pierderii sincronismului dintre rotor şi câmpul magnetic învârtitor. Concret, prin t.c.e.m., motorul sincron pilotează convertorul care, din curentul continuu I0, distribuie (pe fiecare din cele trei faze ale statorului) pulsuri de curent de amplitudini ±I0, cu durata T/3 şi cu frecvenţa de repetiţie f=1/T=ω/2πproporţională cu viteza unghiulară mecanică de rotaţie a rotorului Ω=ω/p. Viteza unghiularămecanică Ω (a rotorului) rezultă din ecuaţia fundamentală a mişcării:

exM-M=dtdJ Ω⋅ (10.24)

În ipoteza simplificatoare a curentului continuu I0 perfect neted (când L0→∞) şiîn cazul neglijării duratelor de comutaţie, curenţii statorici ia, ib şi ic (prin fazele motorului sincron MS) vor avea formele de variaţie în timp din fig.10.8. În aceste condiţii, fundamentalele curenţilor statorici (notate cu ia1, ib1 şi ic1 în fig.10.8) formează un sistem trifazat simetric de curenţi (de succesiune directă) cu frecvenţa f=ω/2π şi cu valoarea efectivă I1 dată de relaţia:

I6=I 01 ⋅π

(10.25)

Diagramele fundamentalelor curenţilor statorici: ia1=ia1(ωt), ib1=ib1(ωt) şiic1=ic1(ωt) sunt reprezentate cu linie subţire, în fig.10.8.

10.4.3 Sincronizarea comenzilor

Funcţionarea motorului sincron autopilotat se bazează pe asigurarea defazajului capacitiv ψ=ct. dintre fazorul spaţial al curenţilor statorici şi axa q (ca în fig.10.4).

Fig.10.8 Intervalele de conducţie ale tiristoarelor punţii trifazate IC şi formele de variaţie în timp ale curenţilor ia ,ib şi ic şi ale fundamentalelor acestora (ia1 ,ib1 şi ic1 )

Page 107: 83365264 Tractiune Electrica Curs

106

Practic, acesta este verificat de 6 ori pe durata fiecărei perioade T (prin controlul momentelor aprinderii tiristoarelor în raport cu poziţia α=ωt+α0 a axei „d” a rotorului). Mai exact, un traductor de poziţie TP va furniza poziţiile rotorului (în raport cu o direcţie statorică de referinţă) la care să fie aprinse (într-o anumităsecvenţă) tiristoarele punţii invertorului de curent IC. Ideal, în cazul variaţiei armonice a curenţilor statorici, fazorul lor spaţial i1dq (în referenţialul rotitor dq), va fi un fazor fix, cu expresia matematică:

01)+

2j(

11dq I6IcueI2=i ⋅π

=⋅ ψπ

(10.26)

În referenţialul statoric fix, aceluiaşi fazor spaţial îi va corespunde expresia:

0)++

2j(

0j

1dqc12

b1a11s tcueI32=ei=)ia+ia+i(3

2=i α+ω=α⋅π

αψπ

α (10.27)

Dacă axa statorică de referinţă se alege suprapusă axei magnetice a fazei "A" iar originea temporară (ωt=0) se alege în momentul când curentul ia1 (al fazei A) trece prin maxim (moment care coincide cu momentul aprinderii tiristorului T2), atunci

fazorul spaţial i1s va fi de forma: tj0

tj11s e)I6(2eI2=i ωω ⋅

π⋅=⋅⋅ (10.28)

Din expresiile (10.27) şi (10.28) rezultă imediat:

)+2

(-=0=++2 00 ψ

πα⇒αψ

π (10.29)

Aceasta este poziţia rotorului în momentul aprinderii tiristorului T2.Celelalte tiristoare vor fi aprinse în succesiunea lor naturală (la poziţiile

succesive ale rotorului uniform decalate cu π/3 radiani electrici) ca în fig.10.8.

10.5 ARHITECTURI DE CIRCUITE DE FORŢǍ EXISTENTE PE LOCOMOTIVELE CU MOTOARE SINCRONE DE TRACŢIUNE

Tehnica utilizării motorului sincron autopilotat în tracţiunea electrică a fost

dezvoltată în Franţa, ca apoi să fie „exportată” în Spania, China şi Corea de Sud. Cronologic, primul lanţ de tracţiune electrică cu motor sincron autopilotat a echipat locomotiva prototip BB 10004 (de 5600 kW) cu alimentare din LC de c.a. monofazat la 25 kV - 50 Hz. Punerea la punct a acestei locomotive a fost rapidă iar rezultatele testelor experimentale din 1982-1983 au confirmat calităţi remarcabile. Au urmat în ordine: locomotiva bicurent (1,5 kV c.c. şi 25 kV, 50 Hz c.a.) SYBIC de tipul BB 26000 şi apoi TGV -Atlantique (a cărui variantă din 2007 şi-a doborât propriul record mondial de viteză pe calea ferată). În continuare, vor fi prezentate, pe scurt, locomotivele cu motoare sincrone din punctul de vedere al arhitecturii circuitelor electrice principale.

Page 108: 83365264 Tractiune Electrica Curs

107

10.5.1 Locomotiva BB 10004

În fig.10.14 este reprezentată schema de forţă (în regim de tracţiune) a locomotivei BB 10004, alimentată din linia de contact în c.a. monofazat la 25 kV, 50 Hz. Locomotiva, în construcţie pe boghiuri (cu două boghiuri de tip monomotor) are cele două motoare de tracţiune alimentate identic, astfel încât în fig.10.14 s-au reprezentat doar circuitele electrice de alimentare pentru primul motor. Fiecare motor sincron de tracţiune posedă, pe stator, două înfăşurări trifazate identice. În regim de tracţiune, punţile monofazate „b” şi „c” (înseriate şi comandate secvenţial) funcţionează ca redresoare şi alimentează circuitul intermediar MN-AK cu tensiune reglabilă şi curent constant (i1d ≈ I0 = ct.) pe când puntea redresoare „r” face posibilă reglarea curentului de excitaţie al motorului sincron. Fiecare invertor trifazat (h1 respectiv h2) pilotează curenţii statorici de fază (din înfăşurarea

Fig.10.14 Schema de principiu a circuitului de forţă al locomotivei BB 10004 (cu alimentare monofazată la 25 kV, 50 Hz ) în regim de tracţiune

a = transformatorul principal de tracţiune; b = punte monofazată complet comandată alcătuită din tiristorii 1, 2, 3 şi 4; c = punte monofazată semicomandată (de tip asimetric); d = dispozitivul format din

tiristorii TC1, TC2, TC3 şi bobina L3 pentru comutaţia asistată, g = inductorii (cuplaţi magnetic) ai circuitului intermediar; h1, h2 = două punţi trifazate tiristorizate, legate în serie pe partea de curent

continuu de la care se alimentează înfăşurările motorului sincron; MS= motor sincron cu două înfăşurări trifazate (R1-S1-T1) şi (R2-S2-T2), fiecare alimentată de la câte un invertor trifazat tiristorizat; q= rezistori şi contactori (care se deschid) la funcţionarea în regim de frânare reostatică; r = redresor semicomandat pentru alimentarea excitaţiei; s= alimentarea celui de-al doilea motor de tracţiune

Page 109: 83365264 Tractiune Electrica Curs

108

trifazată asociată lui ). În schimb, tensiunile electromotoare induse (prin rotirea rotorului excitat) în fiecare înfăşurare statorică de fază vor asigura comutaţia naturală a tiristoarelor braţelor invertorului. Totodată ele definesc şi formele fiecărei tensiuni de fază (în funcţie de poziţia rotorului) ceea ce poate servi ca referinţă pentru electronica de comandă (care gestionează aprinderea tirstoarelor fiecărui invertor). La viteze mici, inferioare valorii de 3% din viteza maximă, t.e.m. indusă este foarte redusă fiind insuficientă atât pentru garantarea comutaţiei cât şi pentru recunoaşterea cu precizie a poziţiei rotorului. De aceea, în această plaje de viteze este necesară atât detectarea poziţiei rotorului cât şi asistarea comutaţiei cu mijloace externe. Asistarea comutaţiei se realizează cu ajutorul tiristorilor auxiliari TC1, TC2 şi TC3 la nivelul circuitului intermediar de curent continuu. Pentru a reduce amplitudinea ondulaţiei cuplului motor ∆M (la alimentarea de la invertorul de curent), statorul motorului sincron a fost bobinat în dublă stea (cu două înfăşurări trifazate identice simetrice, decalate spaţial - între ele - cu 600 el.). În regim de frânare cu recuperare, motorul sincron MS va fi trecut în regim de generator, punţile trifazate tiristorizate „h1 şi h2” (comandate acum cu α≈0) vor funcţiona asemeni unor punţi redresoare cu diode, tensiunea u1d îşi schimbă semnul (devine negativă), iar puntea tiristorizată „b” va fi comandată să funcţioneze ca invertor monofazat, lăsând să treacă toată energia (din circuitul intermediar) spre linia de contact. În tot acest interval de timp tiristorii punţii „c” sunt blocaţi, închiderea circuitului realizându-se prin diodele acesteia. În regim de frânare reostatică (v.fig.10.15) se deschid contactorii grupelor „q” (introducându-se rezistorii de frânare) iar circuitul se va închide prin diodele punţii „c” şi prin tiristorii 3 şi 4 ai punţii „b”. Din motive de siguranţă, la frânarea reostatică curentul de excitaţie va fi furnizat de către bateriile de acumulatori de pe

Fig.10.15 Schema de principiu a circuitului de forţă al locomotivei BB 10004 în regim de frânare reostatică

Page 110: 83365264 Tractiune Electrica Curs

109

locomotivă.

10.5.2 Locomotiva BB 26000

Este următoarea realizare în domeniul „tehnologiei sincrone”. Ca „filozofie”, locomotiva BB 26000 păstrează concepţia constructivă anterioară (2 x boghiu monomotor cu motor sincron hexafazat) dar are modificată alimentarea, locomotiva fiind:

- atât cu alimentare din LC de c.a. monofazat la 25 kV, 50 Hz cât - şi cu alimentare din LC de c.c., la 1,5 kV.

A rezultat noua serie de locomotive bicurent cu motoare sincrone (SYBIC) de tipul BB 26000 cu schema de principiu a circuitului de forţă din fig.10.16. În cazul alimentării din LC de 1,5 kV c.c., reglajul vitezei este asigurat de către VTC1 coborâtor (respectiv de VTC2 pentru motorul 2) caz în care prezenţa filtrului de reţea (LF-CF) este absolut obligatorie. La alimentarea în c.c., comutaţia asistatăeste asigurată de către tiristorii auxiliari TA11, TA12 şi de condensatorul auxiliar

Fig.10.16 Schema de principiu a circuitului de forţă al locomotivei BB 26000 în regim de frânare reostatică (25 kV, 50 Hz; 1,5 kV c.c. )

TP = transformator principal; PR1, PR2 = punţi redresoare monofazate, semicomandate de tip asimetric (identice, conectate în paralel, câte una pentru fiecare motor de tracţiune); FR = filtru de reţea (cu inductanţa LF şi condensatorul CF ); VTC1 = variatorul de tensiune continuă (compus din

CS1 şi DO1) al primului motor; L1 = bobina de netezire din circuitul intermediar de curent continuu; TA11, TA12, CM1 = tiristori auxiliari şi condensatorul pentru comutaţie asistată; IC11, IC12 – două

invertoare de curent, conectate în serie pe partea de curent continuu; MS = motorul sincron de tracţiune cu două înfăşurări statorice trifazate (R1-S1-T1) şi (R2-S2-T2) identice, decalate cu 600 el.;

Ex =înfăşurarea de excitaţie a motorului sincron

Page 111: 83365264 Tractiune Electrica Curs

110

de comutaţie CM1 (şi absolut identic pentru motorul 2). Atât alimentarea motorului sincron (prin invertoarele de curent IC11 şi IC12) cât şi concepţia motorului sincron autopilotat sunt identice cu cele din cazul precedent. În schimb, pentru realizarea alimentării din LC de c.a. monofazat, la 25 kV, 50Hz atât înfăşurarea secundară cât şi puntea redresoare monofazată, au fost astfel dimensionate încât valoarea maximă a tensiunii redresate (de fiecare punte semicomandată) să fie exact 1,5 kV. În cazul alimentării locomotivei din LC de c.a monofazat la 25 kV, 50 Hz, reglajul de viteză este asigurat atât de către punţile redresoare semicomandate cât şide către variatoarele de tensiune continuă VTC1 (şi VTC2). Frânarea electrică a locomotivei BB 26000 este exclusiv reostatică, la nivelul circuitului intermediar de c.c.. În plus, prin jocul contactoarelor schemei, este oricând posibilă izolarea oricărui echipament defectat, locomotiva fiind capabilă săse deplaseze doar cu un singur circuit de tracţiune valid.

10.5.3 TGV-A

După succesul obţinut cu locomotiva universală BB 26000, a venit rândul modernizării ramelor TGV-PSE (cu motoare de curent continuu). Două au fost obiectivele de realizat:

- reducerea (de la 3 la 2) a numărului de boghiuri motoare ale fiecărei locomotive de capăt şi

- creşterea vitezei maxime de circulaţie (până la 300 km/h). Evident că aceste obiective erau imposibil de atins folosind motorizarea clasică(cu motoare cu colector). Concret, pe TGV-A s-a adoptat o motorizare cu motoare sincrone autopilotate şi o alimentare bitensiune (25 kV - 50Hz c.a. şi 1,5 kV c.c.). Pentru atingerea obiectivelor, toate modelările şi studiile complementare au condus la stabilirea puterii de tracţiune la valoarea de 4400 kW pentru fiecare locomotivă de capăt (8800 kW pentru toată rama) în regim continuu, respectiv la puterea de 5200 kW pe locomotivă (10400 kW pentru ramă) în regimul uniorar. În varianta constructivă cu 2 boghiuri motoare (a locomotivelor de capăt) rezultăcă, fiecare motor sincron de tracţiune, va trebui să dezvolte o putere de 1100 kW în regim continuu (respectiv o putere de 1300 kW în regim uniorar). În plus, motoarele de tracţiune trebuie să posede şi o rezervă de siguranţă importantă pentru realizarea performanţelor la pornire. Această comportare a fost probatăexperimental, când (în regimul continuu, la 1100 kW) încălzirea motorului (a rotorului şi a statorului) nu a depăşit 1300 C deşi izolaţia pe bază de răşini (fărăsolvenţi) permitea o încălzire mult mai mare (până la 2500 C). În plus, cu toată electronica (de putere şi de comandă) asociată, masa motorului sincron autopilotat a rezultat de 1590 kg, cu 30 kg mai mult decât masa unui motor de c.c. de pe TGV-PSE (dar de numai 535 kW). Astfel se explică de ce, deşiperformanţele fiecărei locomotive de capăt au fost considerabil îmbunătăţite, totuşi„masa pe osie” a rămas inferioară valorii de 17 t/osie. Din punct de vedere tehnic, rama TGV-A este în compunere fixă cu 2 locomotive (identice) la capete şi 8-10 vagoane intermediare. Fiecare locomotivă

Page 112: 83365264 Tractiune Electrica Curs

111

de capăt este în construcţie pe 2 boghiuri motoare, fiecare boghiu având câte 2 motoare sincrone autopilotate. Prin urmare, circuitele electrice de alimentare a motoarelor fiecărui boghiu vor fi identice, schema de forţă pentru toată locomotiva rezultând simetrică.

Pentru exemplificare, în fig.10.17 s-a reprodus schema de principiu a circuitelor electrice de putere relativ la alimentarea motoarelor unui singur boghiu motor (al unei locomotive de capăt din TGV-A). Alimentarea de tip bicurent (25 kV - 50Hz c.a. şi 1,5 kV c.c.) este adaptată circulaţiei pe căile ferate ale SNCF. Invertoarele de curent OD1 şi OD2 (distincte pentru fiecare motor sincron trifazat) sunt înseriate pe partea de c.c.. (Alcătuirea reală a invertoarelor de curent OD1 şi OD2 este identică cu cea din schema de principiu). Circuitul intermediar de c.c. (de tip inductiv, SFLBM) poate fi alimentat atât de cele 2 punţi redresoare semicomandate RM1 şi RM2, înseriate (şi reglate secvenţial) cât şi prin intermediul VTC-ului format din contactorul static TYR(PL) şi din diodele (înseriate) VS1, VS2 ale celor două punţi monofazate RM1 şi RM2,

Fig.10.17 Schema de principiu corespunzătoare unui boghiu motor al locomotivei TGV-A TFP = transformator principal; L1(M) , L2(M) , L3(M) şi L2 = contactori monopolari închişi la

alimentarea în c.a. monofazat la 25kV – 50 Hz; L1(C) şi L2 contactori monopolari închişi la alimentarea din LC de c.c.; SFL BM bobină de netezire; TYR (PL) = tiristorul principal al

contactorului static (CS) utilizat şi în funcţionarea punţii redresoare mixte RM1 (împreună cu tiristorul TYR1RM1); TYR1RM2, TYR2RM2 = tiristorii punţii redresoare semicomandate RM2; VS1RM1, VS2RM1, VS1RM2 şi VS2RM2 = diodele (câte 2) corespunzătoare punţilor redresoare

semicomandate RM1 şi RM2;TYR(OD) = tiristorii 1,3,5 şi 4,6,2 ai invertorului de curent TYR(COM) 11, 12, 21 şi 22 = tiristorii pentru comutaţia asistată; CAP(COM) 1 şi 2 = condensatoarele pentru realizarea comutaţiei asistate; RF2= reostat de frânare; FA1, 2 = filtre de armonici alcătuite din

condensatorii CAP (AFP) 1 şi 2, inductanţele SF (AFP) 1 şi 2, din tiristorii antiparalel TYR (AFP) 1 şi2 şi din separatorii H (AFP) 1 şi 2 de izolare a filtrelor de armonici

Page 113: 83365264 Tractiune Electrica Curs

112

în cazul alimentării TGV-ului din LC de c.c. (la 1500 V). Precizare. În schema de principiu din fig.10.17 nu s-au reprezentat nici filtrul de reţea LFCF (la alimentarea în c.c.) şi nici circuitele auxiliare de alimentare a excitaţiilor înseriate (ale celor 2 motoare sincrone). În fig.10.18 s-a reprodus schema de principiu a circuitelor electrice principale dintr-o locomotivă de capăt TGV-A la funcţionarea în tracţiune cu alimentarea monofazată din LC de c.a. la 25 kV, 50 Hz. Se observă conexiunea identică atuturor echipamentelor corespunzătoare celor 2 boghiuri motoare. În plus, pe schemă mai apare şi puntea redresoare monofazată semicomandată VS.AUX pentru alimentarea circuitelor auxiliare (prin intermediul VTC-ului H.AUX) şipentru alimentarea înfăşurărilor de excitaţie (prin intermediul VTC-urilor H.EX). Numai la alimentarea în c.a. monofazat, trenul TGV-A poate dezvolta, în regim continuu, puterea totală de 8800 kW, când viteza atinge valoarea de 300 km/h. Pe liniile electrificate în c.c., din cauza limitărilor de viteză la 220 km/h, TGV-A va funcţiona cu putere redusă. În acest context, în fig.10.19 s-a reprodus schema de principiu a circuitului de forţă al unei locomotive tip TGV-A, la funcţionarea în tracţiune, când este alimentată din LC de c.c., la 1500 V.

Fig.10.18 Schema de principiu a circuitelor locomotivei TGV-A, în tracţiune, la alimentarea în c.a. monofazat la 25 kV, 50 Hz

DJM = întreruptor monopolar, HMC = comutator monofazat continuu; VS.AUX = redresor pentru alimentarea serviciilor auxiliare; H.AUX = VTC coborâtor pentru alimentarea serviciilor auxiliare H.EX = VTC coborâtor pentru alimentarea excitaţiilor înseriate a câte 2 motoare (ale unui boghiu):

M1, M2, M3, M4 = motoare sincrone de tracţiune; TFP = transformatorul principal.

Page 114: 83365264 Tractiune Electrica Curs

113

La alimentarea în c.c., la acelaşi filtru de reţea LF,CF (unic) sunt conectate, în paralel, două variatoare de tensiune continuă, coborâtoare, de 1 cadran (1Q) notate cu VTC1 şi VTC2 care alimentează două circuite intermediare identice (de curent continuu I0=ct.) câte unul pentru invertoarele de curent (înseriate) ale motoarelor M1 şi M2 (respectiv M3 şi M4) corespunzătoare fiecărui boghiu motor de tracţiune. În fine, în fig.10.20 este reprodusă schema de principiu a circuitelor de putere a locomotivei TGV-A la funcţionarea în regim de frânare reostatică.

La frânarea reostatică, excitaţiile motoarelor sincrone (înseriate câte 2) sunt alimentate prin intermediul unor VTC-uri coborâtoare (H.EX) de la bateriile de acumulatori (BA). Tiristoarele punţilor trifazate (OD) vor fi deschise complet (α≈0) iar motoarele de tracţiune M1, M2, M3, M4, excitate şi antrenate vor funcţiona acum ca generatoare sincrone, conectate individual la punţi redresoare trifazate „cu diode”, punţi înseriate 2 câte 2 şi debitează separat pe circuitele identice ale rezistenţelor de frânare R1 (reglată electronic) şi R2 (de mărime fixă). Din analiza schemelor din fig.10.18, fig.10.19 şi fig.10.20 se constată căechipamentele TGV-A corespunzătoare fiecărui boghiu motor sunt identice şicomplet independente de echipamentele celuilalt boghiu. În plus, la frânarea reostatică, funcţionarea este independentă de prezenţa (sau absenţa) tensiunii în linia de contact, ceea ce îi conferă o eficienţă de 100%. De asemenea, la alimentarea în c.a. monofazat (v.fig.10.18), prezenţa filtrelor de armonici (conectate la bornele fiecărui secundar de tracţiune al transformatorului TFP) asigură un factor de putere excelent (apropiat de 1) şi o reducere considerabilăa perturbaţiilor asupra liniilor telefonice din vecinătate.

Fig.10.19 Schema de principiu a circuitelor locomotivei TGV-A, în tracţiune, la alimentarea în c.c. la 1500 V

DJC = întreruptor monopolar ultrarapid de c.c.; LF,CF = filtru de intrare (de reţea); VTC1, VTC2 = variatoare de tensiune continuă, pentru alimentarea circuitelor intermediare; H.EX = VTC coborâtor

pentru alimentarea excitaţiilor; M1, M2, M3, M4 = motoare sincrone de tracţiune

Page 115: 83365264 Tractiune Electrica Curs

114

Per ansamblu, fiecare locomotivă de capăt TGV-A conţine numai două blocuri motoare. Semiconductoarele de putere sunt montate în incinte cilindrice şi sunt răcite cu freon R113. VTC-ul de alimentare a serviciilor auxiliare H.AUX asigurăreducerea de 1500 V/500 V a tensiunii (şi este numai unu pe fiecare locomotivăTGV-A). În plus, toate grupurile auxiliare rotative (motoventilatoare şimotocompresoare) sunt antrenate de motoare asincrone trifazate alimentate de la invertoare de tensiune cu GTO, plecând de la tensiunea constantă de 500 V c.c..

Fig.10.20 Schema de principiu la frânarea reostatică a locomotivei TGV-A BA = baterie de acumulatori; H.EX = VTC coborâtor de 1Q pentru alimentarea excitaţiilor

motoarelor de tracţiune; R1, R2 = rezistenţe de frânare;

Page 116: 83365264 Tractiune Electrica Curs

115

Capitolul 1111111111111111

LOCOMOTIVE ŞI RAME ELECTRICE CU MOTOARE DE TRACTIUNE DE CURENT CONTINUU

11.2 STRUCTURA CIRCUITELOR ELECTRICE PRINCIPALE ALE LRE CU MOTOARE DE TRACŢIUNE DE C.C.

Locomotivele şi ramele electrice cu motoare de c.c. au configuraţia circuitului

principal de forţă dependent de felul tensiunii (c.c. sau c.a.) din linia de contact. Din acest punct de vedere deosebim două structuri de bază de LRE:

- o configuraţie de bază (ca în fig.11.1) corespunzătoare LRE cu M.c.c. alimentată din LC de c.c. (la 3 kV sau 1,5 kV) şi respectiv

- o configuraţie de bază (ca în fig.11.2) corespunzătoare LRE cu M.c.c. alimentată din LC de c.a. (la 15 kV şi 16⅔ Hz sau la 25 kV şi 50Hz)

Precizare: Deşi LRE sunt structuri energetice multimotoare, în reprezentările din fig.11.1 şi fig.11.2 s-au ilustrat (ca principiu) echipamentele corespunzătoare doar unui singur motor electric de tracţiune (MT). LRE alimentate din LC de c.c. au filtrul de reţea (de regulă în Г, cu elementele LF şi CF) unic, indiferent de numărul convertoarelor de reţea (CR) . Convertoarele de reţea sunt de tipul variatoarelor de tensiune continuă (VTC), cu funcţionare independentă (mai rar) sau intercalată (mai des) şi alimentează cu

Fig.11.1 Structura circuitului principal al LRE cu motoare de tracţiune de c.c. alimentate de la linia de contact de c.c.

FR = filtru de reţea; CR = convertor de reţea de tipul VTC; BN = bobină de netezire MT = indus motor de tracţiune; Ex = excitaţie motor de tracţiune

Page 117: 83365264 Tractiune Electrica Curs

116

tensiune medie variabilă „sarcina” (BN+MT), în regim de curent neîntrerupt. De regulă, pe LRE cu M.c.c. , configuraţia circuitului de forţă este identicăpentru fiecare motor de tracţiune, ceea ce permite (în caz de avarie) izolarea (prin separare) a zonei defecte de restul circuitului de forţă şi continuarea deplasării cu reducerea corespunzătoare a performanţelor. În cazul LRE (cu M.c.c.) alimentate din LC de c.a. (fig.11.2), transformatorul de tracţiune (TT) este unic, indiferent de numărul convertoarelor de reţea CR. Uzual, TT are un număr de înfăşurări secundare (de tracţiune, identice) egal cu numărul de redresoare (R), câte un secundar pentru fiecare motor de tracţiune. Structura circuitului de forţă permite reglarea tensiunii continue (aplicată sarcinii BN+MT) fie pe partea transformatorului TT (în cazul reglajului de amplitudine, când redresorul R este cu diode) fie pe partea redresorului R (în cazul reglajului de fază când redresorul R trebuie să fie tiristorizat, de tipul semicomandat sau complet comandat). În ambele cazuri, pentru limitarea ondulaţiei (aplatizarea sau netezirea) curentului de sarcină(neîntrerupt) se folosesc bobine de netezire BN (pe miez de fier) relativ saturate. Filtrarea în plus a curentului de excitaţie se poate realiza doar prin şuntarea (individuală) a înfăşurărilor de excitaţie serie (Ex) cu rezistenţe ohmice (neinductive) Rsh ca în fig.11.2. Cu aceste structuri de circuite de forţă au fost construite primele LRE de mare viteză care au circulat pe calea ferată prin anii 60-70 ai secolului trecut. Pe locomotivele şi ramele electrice de mare viteză sunt utilizate numai metode nedisipative de reglaj al vitezei. Concret, motoarele de tracţiune de c.c. vor fi alimentate cu tensiuni pozitive (unidirecţionale) de valori medii controlabile (de la tensiunea minimă şi până la tensiunea nominală) cu ajutorul convertoarelor statice (de tipul redresoarelor „R” sau, după caz, se tipul „VTC”-urilor). În toate cazurile, creşterea vitezei peste valoarea corespunzătoare tensiunii nominale se obţine numai pe seama slăbirii câmpului principal (prin şuntarea excitaţiilor motoarelor de tracţiune). Particularităţile şi problemele diferitelor tipuri constructive de locomotive şirame electrice cu motoare de c.c. vor fi prezentate în subcapitolele următoare.

Fig.11.2 Structura circuitului principal al LRE cu motoare de tracţiune de c.c. alimentate de la linia de contact de c.a.

TT = transformator de tracţiune; CR = convertor de reţea de tipul redresor (R); BN = bobină de netezireRsh = rezistenţă neinductivă (pur ohmică) de şuntare permanentă a excitaţiei serie (Ex.)

Page 118: 83365264 Tractiune Electrica Curs

117

11.4. REGLAJUL TRANSFORMATORIC AL TENSIUNII DE ALIMENTARE A MOTOARELOR DE TRACŢIUNE

În cazul locomotivelor şi ramelor electrice (LRE) cu motoare de curent

continuu alimentate de la punţi redresoare necomandate s-a generalizat reglajul transformatoric (sau de amplitudine) cu înfăşurare specială de reglaj de tip autotransformator (AT), pe partea de înaltă tensiune, ca în schema de principiu din fig.11.9. Schema conţine autotransformatorul AT cu prize de reglaj pe partea de î.t. , alimentat cu tensiunea liniei de contact U1AT =ULC. Transformatorul principal T (cu 4…6 înfăşurări secundare identice şi raport de transformare kT constant, kT=w1T/w2T) are capătul A al înfăşurării primare A-X legat la priza „x” a autotransformatorului de reglaj (capătul de sfârşit X fiind legat la masă) .

Din relaţiile de definiţie a rapoartelor de transformare kATx (al autotransformatorului AT, corespunzător prizei „x”) şi respectiv kT (al transformatorului principal T):

ATx2

AT1

ATx2

AT1ATx w

wUU=k = şi

T2

T1

Tx20

T1T w

wUU=k = (11.20)

şi din condiţia U2ATx =U1T rezultă mărimea tensiunii U20Tx (de alimentare a fiecărei punţi redresoare) corespunzătoare prizei curente „x” (de reglaj):

TAT1

LCATx2

T

ATx2

T

T1Tx20 k

1wUw

kU

kU=U ⋅

⋅== (11.21)

Deci, valoarea efectivă (comună) a tensiunilor U20Tx la bornele tuturor înfăşurărilor secundare (identice ale transformatorului principal T) creşte proporţional cu numărul de spire w2ATx dintre capătul X şi priza curentă „x” a înfăşurării de reglaj.

Fig.11.9 Principiul reglajului transformatoric cu autotransformator de reglaj pe partea de î.t.

Page 119: 83365264 Tractiune Electrica Curs

118

Pe ultima priză „n”, (în care w2ATn = w1AT), tensiunile secundare U20Tn de

mărimi T

LCTn20 k

U=U vor trebui să asigure, după redresare, funcţionarea în

regimul nominal a fiecărui motor de tracţiune. Dispozitivul complex la care sunt legate toate prizele intermediare ale înfăşurării suplimentare de reglaj AT şi care, prin intermediul unor contactori selectează priza sau treapta (câte una pentru fiecare poziţie de mers) fărăîntreruperea curentului de sarcină, se numeşte „graduator”. Aceasta este soluţia clasică, cu reglaj discontinuu, care permite obţinerea unui număr finit (30÷50) de poziţii de mers. După 1970, prin introducerea tiristorilor în construcţia graduatoarelor devine posibil şi reglajul continuu al tensiunii de alimentare a motoarelor de tracţiune. În ambele cazuri, reglajul treptelor (a poziţiilor de mers) se face pe partea de înaltă tensiune a transformatorului principal de tracţiune.

11.4.1 Graduator cu contactori şi rezistenţă de trecere

La puteri mai mari de 2000 kVA devine convenabilă amplasarea graduatorului pe partea de înaltă tensiune (15 kV sau 25 kV), conform schemei de principiu din fig.11.10. În acest caz, tensiunea liniei de contact ULC este aplicată unui autotransformator de reglaj (1), prevăzut cu prize, de la care, prin intermediul graduatorului (2), este alimentată înfăşurarea primară atransformatorului principal (3), cu raport fix de transformare a tensiunilor. Concret, tensiunea maximă a autotransformatorului de reglaj (1) va fi

Fig.11.10 Reglajul cu graduator pe partea de înaltă tensiune 1 = autotransformator (AT) de reglaj cu 30…50 prize; 2 = graduator de î.t.;

3 = transformatorul principal, coborâtor, cu 4÷6 înfăşurări secundare, cu raport de transformare fix; 4 = legături spre punţile redresoare (care alimentează motoarele de tracţiune)

Page 120: 83365264 Tractiune Electrica Curs

119

repartizată în mod egal între oricare două prize consecutive, cu o valoare medie (între două prize succesive) de până la 400÷600 V. În fig.11.11 este reprezentată schema de principiu a unui graduator cu 32 de poziţii cu 4 contactori (din care 2 principali „A”, „B” şi 2 auxiliari „A1”, B1”) şio rezistenţă de trecere R. Conform figurii, cele două inele colectoare ICa şi ICb(reprezentate desfăşurat în fig.11.11) pot fi puse în contact electric (prin intermediul „braţelor selectoare” „a” şi „b”) cu prizele „pare” şi respectiv „impare” ale înfăşurării autotransformatorului AT. Mişcarea braţelor selectoare „a” şi „b” este corelată cu deschiderea şi închiderea celor 4 contactori. În fiecare poziţie „fermă” a selectoarelor graduatorului, primarul transformatorului principal TP este conectat la autotransformatorul AT prin contactorul principal A (când conectarea este pe o priză „pară”) sau prin contactorul principal B (când conectarea este pe o priză „impară”). În etapele de „tranziţie” de pe o priză pară pe una impară (sau invers) cei doi selectori „a” şi „b” vor fi în contact (pentru o scurtă perioadă de timp) cu cele două prize. Acum intervine contactorul auxiliar A1 (respectiv B1) care prin închidere va introduce în circuit (în serie) rezistorul R, pentru limitarea curentului de circulaţie. La terminarea tranziţiei, rezistorul R va fi eliminat (prin scurtcircuitare) prin închiderea contactorului principal A (respectiv B), legătura cu înfăşurarea autotransformatorului făcându-se „ferm”, pe priza curentă,(„pară” sau „impară”). Să observăm că la graduatorul cu contactori, funcţia de schimbare a prizei (prin deplasarea comandată a selectorilor „a” şi „b”) este complet separată de funcţia de comutare a legăturilor pentru includerea temporară, în circuit, a

Fig.11.11 Graduator cu contactori şi rezistenţă de trecere AT = autotransformator de reglaj cu prize; ICa ,ICb = inele colectoare; a, b = selectoare; A, B = contactori

principali; A1, B1 = contactori auxiliari; R = rezistenţă de trecere; TP = transformatorul principal de tracţiune

Page 121: 83365264 Tractiune Electrica Curs

120

rezistenţei de trecere R, deşi cele două funcţiuni sunt corelate temporar între ele. De regulă, la LRE cu reglaj transformatoric, autotransformatorul de reglaj AT are o greutate de circa ¼ din greutatea transformatorului principal TP. Ansamblul AT + TP + graduator + transformator de frânare constituie un echipament aparte care, în cazul LRE de mare putere poate avea o greutate de până la 35% din greutatea întregului echipament electric.

11.4.3 Redresarea cu punţi necomandate

Corespunzător acestei soluţii, fiecare înfăşurare secundară de tracţiune a transformatorului principal TP este legată individual, la puntea sa redresoare (PR1…PRn) ca în fig.11.15. La rândul lor, punţile redresoare monofazate PR alimentează separat circuitele de sarcină (identice), formate din câte un motor de tracţiune MT (de curent ondulat, asemănător cu motorul de c.c. serie) şi obobină de netezire BN (saturabilă, pe miez de fier). Din punct de vedere tehnic, această soluţie a consfinţit afirmarea definitivă atracţiunii monofazate de frecvenţă industrială, iar dezvoltarea sa ulterioară a fost legată exclusiv de evoluţia redresoarelor şi a dispozitivelor semiconductoare de putere. Cu ajutorul autotransformatorului de reglaj (cu prize) AT şi agraduatorului se modifică amplitudinea tensiunii alternative aplicată punţii redresoare PR deci implicit şi valoarea medie a tensiunii redresate aplicate fiecărui motor de tracţiune MT. În plus, datorită separării galvanice a înfăşurărilor, funcţionarea fiecărui redresor este complet independentă de

Fig.11.12 Graduator cu tiristori

AT = autotransformator de reglaj cu prize; ICa ,ICb = inele colectoare; a, b = braţe selectoare; T1, T2, T3, T4 = tiristori de reglare; TP = transformatorul principal de tracţiune;

up2=tensiunea dintre priza 2 şi masă; up3= tensiunea dintre priza 2 şi masă;

Page 122: 83365264 Tractiune Electrica Curs

121

funcţionarea graduatorului, soluţia putând fi implementată atât pe LRE cu graduator tiristorizat cât şi pe LRE cu graduator cu contactoare şi rezistenţă de trecere. Schema de principiu şi diagramele principalelor mărimi funcţionale la redresarea cu puntea necomandată sunt prezentate în fig.11.16 şi fig.11.17. Pentru că tensiunea redresată ud(ωt) este periodică, cu perioada T’=T/2 şipentru că inductanţa circuitului de sarcină L2=LM+Ln nu este infinit de mare, în realitate motoarele de tracţiune vor fi parcurse de un curent id(ωt) ondulat, cu frecvenţa f’=1/T’=2·f. Tocmai pentru a reduce amplitudinea ondulaţiei curentului ∆Id (11.18), respectiv gradul său de ondulaţie γ (11.19), în serie cu circuitul indusului se conectează „o bobină de netezire” BN, cu inductanţa Ln(de ordinul mH) mult superioară (ca mărime) inductanţei motorului LM. Pentru filtrarea în continuare a curentului de excitaţie (pentru asigurarea unui flux principal Φ0 practic constant) înfăşurarea de excitaţie serie a motorului de tracţiune va fi şuntată permanent cu o rezistenţă pur ohmică (neinductivă) Rsh de mărime egală cu 8÷10 ori rezistenţa proprie a înfăşurării de excitaţie. Cantitativ, cu diagrama ideală a tensiunii ud(ωt) din fig.11.17, se pot stabili: 1. Valoarea medie ideală Ud0, la gol, a tensiunii medii redresate:

TAT1

LCATx2Tx20Tx200 d0d kw

Uw9,0U9,0U22)t(du1=U⋅

⋅⋅=⋅≈⋅π⋅=ω⋅

π ∫π

(11.22)

2. Seria Fourier asociată diagramei ideale a tensiunii redresate ud(ωt):

Fig.11.15 Localizarea punţilor redresoare (PR), a motoarelor de tracţiune (MT) şi a bobinelor de netezire (BN) în schema de forţă a LRE cu M c.c.

AT = autotransformator de reglaj cu prize; ICa ,ICb = inele colectoare; a, b = selectoare; A, B = contactori principali; A1, B1 = contactori auxiliari; R = rezistenţă de trecere; TP = transformatorul principal de tracţiune

PR1 = puntea redresoare 1; MT1 = motorul de tracţiune 1; Ex.s = înfăşurarea de excitaţie serie; Rsh = rezistenţa de şuntare permanentă a excitaţiei; BN1 = bobina de netezire 1.

Page 123: 83365264 Tractiune Electrica Curs

122

)tk2cos(1)k2(

1U24U22=)t(u1k

2Tx20Tx20d ω⋅−

−⋅⋅

π⋅+⋅

π⋅

ω ∑∞

=(11.23)

În baza Legii conducţiei electrice rezultă că şi seria Fourier a curentului ondulat id(ωt), în afara componentelor continue Id, va conţine doar armonici pare idν de ordinul ν=2·k, k=1,2,3…. . La neglijarea tuturor armonicilor superioare fundamentalei (obţinută pentru k=1), curentul id(ωt) poate fi aproximat cu relaţia:

)t2sin(I2I=iI)t(i 11dd1ddd ϕ−ω⋅++≈ω (11.24) şi va oscila între valoarea maximă Idmax:

1ddmaxd I2I=I ⋅+ (11.25) şi respectiv valoarea minimă Idmin:

1ddmind I2I=I ⋅− (11.26) Cu acestea, se poate evalua gradul de ondulaţie γ al curentului id :

d

1d

d

mindmaxd

II2=

I2II ⋅

⋅−=γ (11.27)

În plus, dacă din seria Fourier (11.23) se extrage valoarea efectivă Ud1 (a primei armonici, pentru k=1, a tensiunii ud):

0dTx201d U32=U

314U ⋅⋅⋅

π= (11.28)

şi se calculează valoarea efectivă a fundamentalei curentului Id1 cu formula aproximativă:

)LL(f3U

)LL(f4

U314

L)f2(2UI

nM2

Tx20

nM

Tx20

2

1d1d +⋅⋅π⋅

=+⋅⋅π⋅

⋅⋅π=

⋅⋅π≈ (11.29)

atunci mărimea gradului de ondulaţie γ (11.27) poate fi corelată cu mărimea

Fig.11.16 Schema de principiu (corespunzătoare unui singur motor) la redresarea cu puntea necomandată

Rsh = rezistenţă ohmică (neinductivă) de şuntare permanentă a excitaţiei serie a MT; LM = inductanţa totală a motorului MT; Ln = inductanţa bobinei de netezire BN.

Page 124: 83365264 Tractiune Electrica Curs

123

inductanţei Ln (a bobinei de netezire) prin relaţia:

dnM2

Tx20

I)LL(f3U2

⋅+⋅⋅π⋅⋅=γ (11.30)

Pentru γ=0,2…..0,3 se obţine o funcţionare acceptabilă a motorului de tracţiune de curent ondulat. În acest caz, se realizează practic un compromis, bobina de netezire BN având o masă de ordinul 10%…15% din masa motorului de tracţiune iar inductanţa necesară (Ln) se calculează cu relaţia (11.30) scrisăpentru Id=IM şi ultima treaptă de reglaj a graduatorului.

11.5. REGLAJUL REDRESORIC AL TENSIUNII DE ALIMENTARE A MOTOARELOR DE TRACŢIUNE

Reglajul transformatoric (sau de amplitudine) al tensiunii redresate impune o

serie de complicaţii constructive (prin obligativitatea AT de reglaj cu prize) şifuncţionale (prin prezenţa şi funcţionarea graduatorilor) pe partea de alimentare a LRE. Numai după dezvoltarea semiconductorilor de putere cu conducţie controlată a devenit posibil reglajul redresoric (sau de fază) al tensiunii de alimentare a motoarelor de tracţiune. La LRE tiristorizate, reglajul a fost trecut din sarcina transformatorului (care s-a simplificat) în sarcina redresorului (care s-a complicat, în sensul prezenţei electronicii de comandă şi de control).

u2Tx

du

20TxU2

Ud0 U20Tx

Fig.11.17 Diagramele tensiunilor şi curenţilor la redresarea ideală cu puntea necomandată(cu graduatorul pe poziţia curentă „x”)

Page 125: 83365264 Tractiune Electrica Curs

124

Constructiv sunt utilizate două tipuri de punţi redresoare comandate: punţicomplet comandate şi punţi semicomandate (punţi mixte de tip asimetric).

11.5.1 Redresarea cu puntea complet comandată

Schema de principiu şi diagramele principalelor mărimi funcţionale la redresarea cu puntea complet comandată sunt ilustrate în fig.11.18 şi fig.11.19. Ca metodă, pentru reglarea tensiunii redresate, se întârzie (cu unghiul α)momentul aprinderii tiristorilor faţă de momentele de referinţă corespunzătoare polarizării directe ale acestora. O dată aprinse (ca de exemplu T1 şi T3 în fig.11.18) tiristorii rămân în conducţie o întreagă semiperioadă (atât când u2T>0 cât şi când u2T <0). Prin urmare, tensiunea redresată ud(ωt) va fi „pozitivă” pe fiecare interval de lungime π- α şi „negativă” pe fiecare interval de lungime α.

Valoarea medie ideală Udα0 în condiţii ideale (comutaţie instantanee şiinductanţă Ln→∞) a tensiunii redresate se calculează cu formula:

α⋅=α⋅⋅π⋅

α cosUcosU22=U 0d0T20d (11.31)

La acelaşi sens al curentului id=Id>0, tensiunea medie Udα0 poate fi 0 după

cum α π/2. Deci, puntea complet comandată este reversibilă energetic, ea putând funcţiona:

- ca redresor, cu tensiunea Udα0 variabilă de la 0 la Ud0 dacă se regleazăunghiul α de la π/2 la 0 şi

- ca invertor, cu tensiunea Udα0 <0 dacă α > π/2 când fluxul energetic se inversează. În astfel de situaţii devine posibilă frânarea cu recuperare!

În acelaşi context şi puterea continuă ideală Pdα0 :α⋅=α⋅⋅=⋅αα cosPcosIUIU=P 0dd0dd0d0d (11.32)

este proporţională cu factorul de reglare a fazei (cos α) şi păstrează semnul (+ sau -) al tensiunii medii Udα0.

Ca şi la puntea necomandată, curentul i2T (din fiecare secundar al

Fig.11.18 Schema de principiu (corespunzătoare unui singur motor) la redresarea cu puntea complet comandată

Page 126: 83365264 Tractiune Electrica Curs

125

transformatorului redresoric) are o variaţie alternativă de forma unor blocuri dreptunghiulare cu duratele ω·T/2=π şi amplitudinile ±Id. Însă, spre deosebire de puntea necomandată, la puntea complet comandată, diagrama curentului i2T este rămasă „în urmă” cu unghiul α.

Datorită rămânerii „în urmă” (cu unghiul α) a diagramei curentului i2T,rezultă că şi fundamentala acestuia i2T(1) va fi defazată în urma tensiunii (sinusoidale) la borne u2T tot cu unghiul α adică unghiul de defazaj φ2(1) al fundamentalei curentului va fi:

α=ϕ )1(2 (11.33) Cantitativ, în cazul curentului i2T deformat (cu variaţie dreptunghiularăv.fig.11.19) pot fi evaluate succesiv:

- valoarea efectivă I2T a curentului deformat:

[ ] d2d

2d

2

02

T2T2 III21)t(di

21=I =π⋅+π⋅

π=ω⋅

π ∫π

(11.34)

- valoarea maximă (amplitudinea) I2T(1)max a fundamentalei curentului:

dmax)1(T2 I4=I ⋅π

(11.35)

du

2T2 U

-u2T

udu2T

U cosd0

u2T

u2T

uT1

uT1

u2T2TU2

. .

.

.

..

Fig.11.19 Diagramele tensiunilor şi curenţilor la redresarea ideală cu puntea complet comandată

Page 127: 83365264 Tractiune Electrica Curs

126

- şi valoarea efectivă I2T(1) a fundamentalei curentului :

dmax)1(T2

)1(T2 I222

I=I ⋅

π= (11.36)

Funcţionând în regim deformant, puntea complet comandată (în condiţii ideale, când id=Id=ct. şi u2T=U2T0=ct.) va primi, la nivelul fundamentalei curentului, pe partea de c.a. puterea aparentă S2T(1) de mărime constantă:

.ctPIUI22UIU=S 0dd0dd0T2)1(T2T2)1(T2 ==⋅=⋅π

⋅=⋅ (11.37)

cu cele două componente: puterea activă P2T(1) şi puterea reactivă Q2T(1) date de: 0d0d)1(2)1(T2)1(T2 PcosPcosS=P α=α⋅=ϕ⋅ (11.38) α⋅=ϕ⋅ sinPsinS=Q 0d)1(2)1(T2)1(T2 (11.39)

Dacă (la nivelul fundamentalei curentului) energia activă este transformată în energie de c.c. care este convertită în energie mecanică de motoarele de tracţiune, pentru a putea funcţiona, puntea complet comandată necesită în plus şi energie reactivă (cu atât mai multă cu cât unghiul α este mai mare) din reţeaua (LC) de alimentare. În acest context, pe baza relaţiilor (11.37), (11.38) şi (11.39), în fig.11.20 s-a reprezentat diagrama puterilor transmise pe fundamentală (diagrama circulară) în cazul punţii redresoare complet comandate. Pe de altă parte, în regim deformant, puntea redresoare primeşte puterea aparentă totală S2T=U2T0·I2T=U2T0·Id din care numai puterea activă la nivelul fundamentalei P2T(1) este transferată sarcinii sub formă de putere electrică de c.c.. Prin urmare, factorul de putere ideal FPi al punţii complet comandate va fi:

α⋅=α⋅π

=α⋅=α⋅

= cos9,0cos22cosI

IS

cosS=

SP

FPT2

)1(T2

T2

)1(T2

T2

)1(T2i (11.40)

La puntea complet comandată, factorul de putere FPi variază proporţional cu factorul de reglare ideală a fazei (cosα) ceea ce creează serioase probleme la valori reduse ale tensiunii medii redresate aplicate motoarelor de tracţiune.

Fig.11.20 Diagrama puterilor ideale la puntea complet comandată

Page 128: 83365264 Tractiune Electrica Curs

127

11.5.2 Redresarea cu puntea semicomandată de tip asimetric

În fig.11.21 este reprezentată schema de principiu iar în fig.11.22 sunt ilustrate diagramele principalelor mărimi funcţionale la redresarea cu puntea semicomandată (mixtă) de tip asimetric. Şi aici, ca metodă pentru reglarea tensiunii redresate, se întârzie (cu unghiul α) momentele aprinderii tiristorilor T1, respectiv T2 în raport cu momentele trecerii prin zero ale tensiunii u2T.

În cazul ideal (la neglijarea comutaţiei, semiconductoare ideale şi inductanţacircuitului de sarcină infinit de mare) se observă că duratele de conducţie ale tiristorilor (de mărime β=π-α) sunt mai mici faţă de duratele de conducţie (de mărime π+α) ale diodelor. În consecinţă, curentul i2T (din secundarul transformatorului redresoric) va fi un curent deformat (alternativ dreptunghiular) având forma unor blocuri dreptunghiulare de amplitudini ±Id şidurate de mărimi β=π-α separate între ele de intervale de pauză, de durate egale cu α. În plus, diagrama curentului i2T este „rămasă în urmă” (are axele de simetrie decalate cu unghiul α/2 în urma axelor de simetrie ale tensiunii u2T) .

Prin descompunerea curentului i2T în armonici se constată că şi fundamentala i2T(1) va fi defazată în urma tensiunii (sinusoidale) la borne u2T tot cu unghiul α/2 adică unghiul de defazaj al fundamentalei φ2(1) va fi:

2)1(2α=ϕ (11.41)

Cantitativ, în cazul curentului deformat i2T, cu diagrama de variaţie din fig.11.22, pot fi evaluate:

- atât valoarea efectivă I2T a curentului deformat:

[ ]πα−π=α−π⋅+α−π⋅

π=ω⋅

π ∫π

d2d

2d

2

02

T2T2 I)(I)(I21)t(di

21=I (11.42)

- cât şi valoarea efectivă I2T(1) a fundamentalei acestuia:

2cosI9,0

2sinI22=I dd)1(T2

α⋅=β

⋅⋅π

(11.43)

În acelaşi context, valoarea medie ideală Udα0 (la gol) a tensiunii redresate ud(cu diagrama dată de fig.11.22) se calculează cu formula:

Fig.11.21 Schema de principiu la redresarea cu puntea semicomandată în montaj asimetric

Page 129: 83365264 Tractiune Electrica Curs

128

2cosU

2cos1U)cos1(U2=U 2

0d0d0T2

0dα

⋅=α+⋅=α+⋅

π⋅

α (11.44)

Să observăm că, atât puterea continuă ideală Pd:

2cosP

2cosIUIU=P 2

0d2

d0dd0ddα

⋅=α⋅⋅=⋅α (11.45)

cât şi tensiunea medie redresată Udα0, rămân în permanenţă pozitive. (Puntea mixtă nu este reversibilă energetic!) Pe de altă parte, la nivelul fundamentalei curentului, puntea semicomandatăva primi puterea aparentă S2T(1):

2cos.P

2cosI22UIU=S 0dd0T2)1(T2T2)1(T2

α⋅=α

⋅⋅π

⋅=⋅ (11.46)

cu cele două componente: puterea activă P2T(1) şi puterea reactivă Q2T(1) date de:

du

2T2U

u2T

udu2T

Ud 0

u2T

u2T

. . .

2T

Fig.11.22 Diagramele tensiunilor şi curenţilor la redresarea ideală cu puntea mixtă(semicomandată) de tip asimetric

Page 130: 83365264 Tractiune Electrica Curs

129

)cos1(P21

2cosPcosS=P 0d

20d)1(2)1(T2)1(T2 α+⋅⋅=α⋅=ϕ⋅ α (11.47)

α⋅=αα⋅=ϕ⋅ sinP

21

2sin

2cosPsinS=Q 0d0d)1(2)1(T2)1(T2 (11.48)

Reprezentarea geometrică a puterilor ideale: aparentă (11.46), activă (11.47) şi reactivă (11.48) este dată de diagrama circulară din fig.11.23 pentru orice valoare a unghiului α. Aici se observă cum puterea reactivă de reglare Q2T(1) creşte de la valoarea 0 (pentru α=0 când Udα0= Ud0) la valoarea maximă 0,5·Pd0 în punctul D1/2’ (pentru α=π/2 când Udα0= 0,5·Ud0) şi apoi descreşte pentru α>π/2. La limită când α→π, se anulează atât puterile S2T(1), P2T(1) şi Q2T(1) cât şitensiunea redresată Udα0.

În regim deformant puntea semicomandată primeşte puterea aparentă totalăS2T=U2T0·I2T din care numai puterea activă la nivelul fundamentalei P2T(1) este convertită şi transferată sarcinii pe partea de curent continuu. Prin urmare, factorul de putere ideal FPi al punţii semicomandate va fi:

2

cos22

IU

2cosIU

=S

PFP 2

d0T2

2d0d

T2

)1(T2i

α⋅

α−ππ

⋅π

=

πα−π

⋅⋅

α⋅⋅

= (11.49)

Acesta este proporţional cu factorul de reglaj de fază al tensiunii redresate şiare valori inacceptabil de mici pe toată durata pornirii şi funcţionării cu viteze reduse a motoarelor de tracţiune.

11.5.3 Problema factorului de putere şi metode de ameliorare

Deşi LRE cu redresoare tiristorizate prezintă avantajul reglajului continuu al tensiunii, deci şi al forţei de tracţiune, totuşi, prin rămânerea în urmă acurentului (cu atât mai mult cu cât factorul de reglare Udα0/ Ud0 este mai mic), va

Fig.11.23 Diagrama puterilor ideale la puntea semicomandată

Page 131: 83365264 Tractiune Electrica Curs

130

scădea factorul de putere ideal FPi ceea ce echivalează cu o creştere a puterii (şienergiei) reactive absorbite din linia de contact de grupul transformator-redresoare de forţă. În plus, din confruntarea celor două tipuri de punţicomandate se constată că, la aceeaşi valoare a factorului de reglare Udα0/ Ud0 ,puntea semicomandată are factorul de putere ideal FPi (11.49) net superior (mai bun). Însă, ca dezavantaj, puntea semicomandată nu este reversibilă energetic, nepermiţând frânarea cu recuperare a LRE. Concret, pentru ameliorarea factorului de putere se procedează astfel:

- se reduce intervalul de reglare al tensiunii prin divizarea acestuia în 2 până la 4 subintervale egale, comanda punţilor făcându-se secvenţial şi

- se înlocuiesc pe cât posibil punţile complet comandate cu punţiredresoare semicomandate, de tip asimetric, ca în exemplele de mai jos.

1. Punţi comandate secvenţial cu două nivele. O soluţie frecvent utilizată pentru ameliorarea factorului de putere constă în

divizarea fiecărei înfăşurări secundare a transformatorului principal TP în câte

două subînfăşurări identice, cu tensiunea efectivă 0T2U21⋅ la borne şi conectate

la punţile redresoare I şi II ca în fig.11.24. La rândul lor, punţile redresoare sunt legate în serie şi sunt comandate secvenţial. Dacă nu se impune frânarea cu recuperare, se pot utiliza punţi mixte, în montaj asimetric. Când sunt complet deschise, fiecare punte semicomandată va furniza aceeaşitensiune medie redresată de mărime U’d0:

0d0T2'

0d U21U

2122U ⋅=⋅

π= (11.50)

La pornire, când este nevoie de o tensiune medie redresată Ud mică, puntea II va fi blocată iar puntea I va fi comandată cu unghiuri αI apropiate de π. În acest

Fig.11.24 Schema de principiu în cazul a două punţi mixte comandate secvenţial

Page 132: 83365264 Tractiune Electrica Curs

131

caz, curentul de sarcină id se va închide prin diodele punţii II. Dacă se reduce unghiul de comandă αI (al tiristorilor punţii I) de la π către 0 (puntea II rămânând în continuare blocată), tensiunea medie redresată Ud0 va creşte de la 0 la valoarea U’d0 (11.50). Va creşte corespunzător şi factorul de putere până la valoarea maximă (circa 0,8). Pentru creşterea în continuare a tensiunii redresate de la ½·Ud0 la Ud0, puntea I rămâne complet deschisă (αI=0) şi se comandă tiristorii punţii II cu unghiul αII variabil, descrescător de la π la 0. La αI=0 şi αII=0 cele două punţi înseriate sunt complet deschise iar tensiunea medie redresată Ud0= UdI0+UdII0=2·U’d0 va fi maximă.

În general, prin această metodă se obţine un factor de putere global net superior pe tot intervalul de variaţie al tensiunii redresate.

2. Punţi comandate secvenţial cu patru nivele Metoda descrisămai înainte se poate generaliza. Prin adoptarea unui redresor cu trei punţi legate la trei înfăşurări secundare şi comandate secvenţial se pot reduce atât puterea reactivă cât şi spectrul armonicilor curentului absorbit din linia de contact. Pentru a ameliora şi mai mult factorul de putere se poate adopta un redresor comandat secvenţial, cu patru nivele. În varianta cu punţi mixte, acesta va conţine 8 braţe cu tiristori şi 8 braţe cu diode. Însă, acelaşi rezultat poate fi obţinut şi cu redresorul comandat secvenţial cu patru nivele din fig.11.25 (varianta economică căci montajul conţine doar 6 braţe cu tiristori şi 4 braţe cu diode.) Fizic, montajul poate fi considerat ca fiind format din trei punţisemicomandate de tip asimetric (dintre care două au braţele cu diode D3I- D4I în

Fig.11.25 Schema de principiu a redresorului (montaj economic) comandat secvenţial cu patru nivele

Lc = inductanţă de comutaţie

Page 133: 83365264 Tractiune Electrica Curs

132

comun) alimentate de la două semiînfăşurări secundare. În plus, una din semiînfăşurări are o priză mediană.

Puntea mixtă I (alcătuită din T1I- T2I -D3I- D4I) împreună cu tiristorii T3I-T4I (legaţi la punctul median prin bobina auxiliară de inductanţă Lc) permite, prin comanda adecvată, obţinerea la ieşire a unei tensiuni reglabile, fie între (0 şi¼ ·Ud0), fie între (¼·Ud0 şi ½·Ud0). Puntea mixtă II cu braţele T1II-T2II-D3II-D4II este alimentată de la cealaltăsemiînfăşurare secundară şi poate furniza la ieşire o tensiune continuă, variabilăîntre 0 şi ½·Ud0.

Punţile I şi II sunt înseriate şi sunt comandate secvenţial încât, la ieşire, tensiunea Ud poate varia continuu de la 0 la Ud0, redresorul având un factor de putere superior pe tot intervalul de variaţie al tensiunii redresate. Concret, secvenţele de comandă ale redresorului cu patru nivele sunt următoarele:

1. Pentru obţinerea unei tensiuni medii între 0 şi ¼ ·Ud0 se va activa puntea mixtă T4I-T3I-D3I-D4I. Tensiunea redresată ideală obţinută la ieşire va varia între 0 (pentru α=π) şi ¼ ·Ud0 (pentru α=0). În acest caz, curentul de sarcină id=Id=ct. se va închide prin diodele D3II şi D4II ale punţii (inactive) II.

2. În secvenţa a doua de reglaj (cu tiristorii T3I şi T4I complet deschişi) se activează tiristorii punţii mixte T1I-T2I-D3I-D4I ceea ce va determina (la fiecare aprindere a tiristorilor) comutaţia de la T4I la T1I (în grupul de comutaţie catodic) şi de la T3I la T2I (în grupul de comutaţie anodic). Aceasta înseamnă că,pe fiecare alternanţă, pe intervalul de la 0 la α va fi activă puntea T4I-T3I-D3I-D4I iar de la α la π va fi activă puntea T1I-T2I-D3I-D4I. În aceste mod, prin reducerea unghiului de comandă α de la π la 0, tensiunea medie redresată va creşte continuu de la ¼·Ud0 la ½·Ud0.

3. La finele secvenţei 2 (când Ud= ½·Ud0 şi toţi tiristorii punţii I sunt complet deschişi) se procedează la transferul conducţiei de la puntea I la puntea II. La sfârşitul acestui proces, puntea II va fi complet deschisă (cu α=0) furnizând Ud= ½·Ud0 iar puntea I va fi blocată în totalitate, circuitul de sarcinăînchizându-se acum prin diodele D3I şi D4I.

4. Pentru creşterea tensiunii de la ½·Ud0 la ¾ ·Ud0, cu puntea II complet deschisă, se activează puntea T4I-T3I-D3I-D4I după procedura de la punctul 1.

5. În fine, ultima secvenţă de reglaj (pentru creşterea tensiunii de la ¾ ·Ud0 la Ud0 ) se realizează cu puntea II complet deschisă, acţionând asupra tiristorilor punţii I, urmând în totalitate procedura de la punctul 2.

11.6. REGLAJUL CU VTC AL TENSIUNII DE ALIMENTARE A MOTOARELOR DE TRACŢIUNE

Variatorul de tensiune continuă (VTC) este un convertor energetic (static)

care realizează conversia directă curent continuu/curent continuu fără circuite intermediare de curent alternativ. VTC-ul face apel la comutaţia forţată şipermite alimentarea motoarelor de tracţiune de c.c. cu tensiuni (medii) variabile atunci când se dispune de o linie de contact LC cu tensiunea (continuă) de mărime constantă. Prin modul de conectare între "sursă" (LC) şi "sarcină" (MT),

Page 134: 83365264 Tractiune Electrica Curs

133

variatorul de tensiune continuă (VTC) face posibil controlul şi reglarea circulaţiei puterilor electrice în circuitele de c.c..

11.6.1 Structuri de VTC

1. VTC de 1Q. Partea de forţă a oricărui VTC de 1Q este alcătuită din douăcăi de curent (unidirecţionale, cu conducţie complementară) şi anume: - o "primă cale" formată din contactorul static CS (cu funcţionare ciclică cu frecvenţa "f=1/T") deci cu conducţie controlată şi

- a "doua cale" (cu conducţie liberă), constituită dintr-o diodă cu siliciu D. Cele două căi de curent (între bornele de intrare 1-1' şi bornele de ieşire 2-2') sunt conectate ca în fig.11.26 (poz.a sau poz.b). Dacă U1 este tensiunea continuă la bornele 1-1' ale VTC-ului, atunci valoarea medie a tensiunii de ieşire U2 (la bornele 2-2') poate fi (după caz): U>Usau U<U 1212 (11.51) În primul caz (U2<U1) vorbim de un VTC coborâtor (step down) pe când în cel de-al doilea caz (U2>U1), VTC-ul este ridicător (step on). Cele două structuri de VTC sunt precizate în fig.11.26, unde în plus s-a presupus şi un acelaşi sens al puterilor medii (de la bornele 1-1' spre bornele 2-2'). Se menţionează că, pe LRE cu m.c.c. şi VTC, în regim de tracţiune se utilizează VTC-uri coborâtoare pe când în regim de frânare electrică cu recuperare, VTC-urile sunt ridicătoare.

2.VTC de 2Q. Pentru "trecerea" pe cale statică (fără intervenţia aparaturii electromecanice de comutaţie) de la funcţionarea "din tracţiune" (cu sensul +I2,

Fig.11.26 Structura VTC de 1 cadran: a) VTC coborâtor; b) VTC ridicător

Fig.11.27 Configuraţia VTC de 2Q (cu inversarea curentului)

Page 135: 83365264 Tractiune Electrica Curs

134

al curentului) la frânarea cu recuperare (când sensul curentului este -I2) trebuie utilizat un VTC bidirecţional în curent (adică un VTC cu funcţionare în douăcadrane în planul curent-tensiune). Principial, orice VTC de 2Q (pentru ambele sensuri ale curentului) poate fi obţinut din două VTC-uri de 1Q unul coborâtor (v.fig.11.26, poz.a) şi celălalt ridicător (v.fig.11.26, poz.b), legate între aceleaşi borne 1-1' şi 2-2'. Rezultă configuraţia prezentată în fig.11.27. Aici VTC-ul ridicător CS2-D2 se deosebeşte de cel prezentat în fig.11.3 (la poz.b) prin faptul că acesta este conectat "în oglindă" faţă de bornele 1-1' şi 2-2' astfel încât circulaţia de putere să aibă loc de la bornele 2-2' înspre bornele 1-1'. Redesenat ca în fig.11.27 poz.b, VTC-ul de 2Q apare ca o "ramură" (sau ca o "fază") de invertor de tensiune.

3. VTC de 4Q. Prin conectarea (la aceleaşi borne de intrare 1-1') a douăVTC-uri de 2Q (de tipul celui din fig.11.27) se obţine un VTC cu funcţionare în patru cadrane. Schema rezultată a VTC de 4Q are configuraţia din fig.11.28. Un VTC de 4Q este un convertor în punte completă. Din acest motiv, VTC de 4Q este notat cu C4Q. Având structura din fig.11.28, un VTC de 4Q (sau C4Q) poate asigura funcţionarea unei sarcini de c.c. în toate cele patru cadrane ale planului (I2, U2). Din analiza schemei din fig.11.28 (poz.a) se constată că VTC-ul de 4Q (sau C4Q) are configuraţia unei punţi duble. Prima punte este alcătuită din patru dispozitive complet comandate (din contactoarele statice CS1, CS2, CS3 şiCS4) iar a doua punte este formată din patru diode (D2, D1, D4 şi D3) conectate în antiparalel, câte una pe fiecare din contactoarele statice ale primei punţi). În prima punte, pe fiecare ramură se află câte două contactoare statice (respectiv CS1 + CS2 şi CS4 + CS3) legate în serie. Pentru a evita scurtcircuitarea intrării (a bornelor 1-1'), contactoarele statice de pe aceiaşiramură vor fi comandate în antifază (când unul conduce celălalt va fi blocat şiinvers). În plus, ca măsură de protecţie împotriva scurtcircuitării bornelor de intrare 1-1', întotdeauna între blocarea unui CS şi deschiderea celuilalt CS (de pe aceeaşi ramură) se va interpune un timp mort. În sistemul curentului continuu, sarcina VTC de 4Q este formată din excitaţiile înseriate ale motoarelor de tracţiune. Deoarece tensiunea de ieşire U2(a convertorului de 4Q) poate fi controlată atât ca valoare medie cât şi ca semn iar curentul I2 poate circula în ambele sensuri, schema alimentării excitaţiilor va permite atât inversarea mersului cât şi frânarea pentru ambele sensuri de mers. Concret, la alimentarea excitaţiilor MT (ale LRE de c.c.), cel mai frecvent VTC-urile de 4Q sunt realizate cu module IGBT (exact ca în fig.11.28, poz.b). Deci, în cazul convertorului m-fazat (şi acelaşi filtru de reţea) armonicile de curent în LC vor avea valorile efective diminuate de m3 ori faţă de cazul utilizării VTC-ului unic. Soluţia cu „m” VTC-uri elementare şi comandădefazată oferă certe avantaje atât în ceea ce priveşte conţinutul armonic al curentului absorbit cât şi în ceea ce priveşte dimensionarea filtrului de reţea. Concluzia este general valabilă, oricare ar fi numărul VTC-urilor elementare.

Page 136: 83365264 Tractiune Electrica Curs

135

În plus, pentru că pe vehiculele cu tracţiune electrică se află mai multe motoare (sau grupe de motoare) identice care sunt alimentate de la mai multe VTC-uri identice (v.fig.11.44), rezultă că principiul convertorului m-fazat se poate aplica în mod identic (prin decalarea impulsurilor de comandă ale VTC-urilor componente ale schemei). Toate rezultatele rămân neschimbate. În felul acesta va creşte frecvenţa aparentă şi concomitent va avea loc diminuarea mărimii maxime a ondulaţiei curentului total. În schimb, dacă VTC-urile componente nu funcţionează echilibrat, în linia de contact (LC) îşi va face simţită prezenţa (în plus) şi seria subarmonicilor de curent (cu frecvenţele f=fVTC şi toţi multiplii întregi ai acesteia).

11.7 ARHITECTURI DE CIRCUITE ELECTRICE PRINCIPALE EXISTENTE PE LRE CU MOTOARE DE TRACŢIUNE DE CURENT CONTINUU

11.7.1 LRE alimentate din LC de c.a. monofazat

Locomotivele şi ramele electrice echipate cu motoare de tracţiune de c.c. şi

alimentate de la linia de contact de c.a. vor avea în mod obligatoriu un transformator principal (coborâtor) şi vor folosi unul din cele două sisteme de reglaj al tensiunii de alimentare a motoarelor de tracţiune şi anume: a) fie reglajul de amplitudine (cu înfăşurare suplimentară cu prize legate la graduator) fie b) reglajul de fază (cu punţi redresoare tiristorizate), indiferent de parametrii tensiunii din linia de contact (15 kV, 16 ⅔ Hz sau 25 kV şi 50/60 Hz). Pentru exemplificare, în continuare vor fi expuse câteva arhitecturi reprezentative de circuite electrice principale ale LRE cu motoare de tracţiune de curent continuu. Locomotiva cu redresori (cu diode) şi graduator pe partea de î.t.. În fig.11.45 la poz. a) este ilustrată schema de forţă în regim de tracţiune iar la poz. b) este ilustrată schema de forţă în regim de frânare reostatică a unei locomotive cu redresori cu diode şi graduator, cu patru motoare de tracţiune. Bazate pe motoarele de tracţiune de curent ondulat capabile să dezvolte (fiecare) o putere continuă de 970 kW, cu o transmisie tip ASEA (cu ax

Fig.11.28 Scheme de VTC de 4Q a) Schema generală; b) Alimentarea excitaţiei de la VTC de 4Q (realizat cu module IGBT)

Page 137: 83365264 Tractiune Electrica Curs

136

cardanic în interiorul arborelui rotoric gol), uzina Rade Konćar a construit sub licenţă peste 200 de locomotive cu formula B’0B’0 şi schema de forţă din fig.11.45, iar fabrica Electroputere Craiova a fabricat (tot sub licenţă, până în

a)

b)

Fig.11.45 Schema circuitelor electrice principale ale locomotivei cu redresori cu diode şi reglaj de amplitudine (cu graduator)

1 = transformatorul principal; 2 = graduatorul; 3 = punţi redresoare monofazate cu diode; 4 = bobine de netezire; 5 = rezistenţe de frânare; 6 = motoare de tracţiune; 7 = rezistenţe de slăbire de câmp

Page 138: 83365264 Tractiune Electrica Curs

137

1990) peste 700 de locomotive cu aceeaşi structură a circuitelor electrice principale dar cu 6 motoare de tracţiune, cu formula constructivă C’0C’0 .

În plus, folosind o transmisie mecanică de acelaşi tip dar cu raport de reducere diferit, Fabrica de Locomotive din cadrul întreprinderii Electroputere a reuşit să crească viteza maximă a locomotivelor trenurilor de călători până la 160 km/h. Rama electrică Shinkansen O. A fost prima ramă electrică de mare vitezăcare a circulat în Japonia pe o reţea proprie cu ecartament şi gabarit diferit de cel al reţelelor de cale ferată preexistente. Ramele Shinkansen din generaţia O erau formate din 12 vagoane, toate motoare (grupate câte două) cu formula 6 x (B’0B’0 + B’0B’0), fiecare osie fiind antrenată de câte un motor de c.c. de 185 kW. Fiecare două vagoane motoare alăturate (de tipul B’0B’0 + B’0B’0) formează o unitate independentă, a cărei schemă electrică de forţă este ilustrată în fig.11.46. Din punct de vedere al echipamentelor (identic amplasate în câte 6 grupe de câte două vagoane motoare) întâlnim în primul vagon: pantograful, transformatorul şi redresorul monofazat cu diode iar pe celălalt vagon motor sunt îmbarcate toate rezistenţele (de frânare şi de slăbire de câmp). Atât concepţia cât şi arhitectura circuitelor electrice ale ramelor de mare viteză Shinkansen a evoluat în timp, o dată cu noile tehnologii apărute pe piaţă.Ramele din seria 100 (din 1980) aveau 12 vagoane şi 48 motoare de tracţiune (de c.c.) dar fiecare de 230 kW. În tracţiune, reglajul se făcea cu punţitiristorizate (cu reglaj de fază) iar frânarea electrică era de tip reostatic, cu

Fig.11.46 Schema circuitelor electrice principale pentru fiecare două vagoane motoare independente (B’0B’0 + B’0B’0) din compunerea ramei Shinkansen, generaţia O.

6 = contactoarele graduatorului ; 8 = indusurile motoarelor de tracţiune (de curent ondulat); 9 = inductoarele (excitaţiile) înseriate ale motoarelor de tracţiune; 14 = rezistenţa de frânare;

15 = puntea redresoare, monofazată, cu diode (care alimentează 2 grupe de câte 4 motoare de tracţiune, legate în serie); 19 = transformatorul principal;

Page 139: 83365264 Tractiune Electrica Curs

138

autoexcitaţie serie şi rezistenţă de frânare reglată de contactori. Ramele din seria 200 (de după 1985) au profitat din plin, în tracţiune, de progresele electronicii de putere. Astfel, frânarea reostatică se făcea cu excitaţia alimentată separat, (reglarea rezistenţei de frânare făcându-se tot de contactori). Cu aceleaşi motoare de tracţiune de 230 kW, viteza maximă a ramei a fost de 240 km/h. După 1990, s-au dezvoltat ramele Shinkansen din seria 300 cu motoare asincrone de tracţiune de 300 kW, alimentate trifazat cu tensiune şi frecvenţă variabilă de la invertoare cu GTO. În acest fel ramele, cu 16 vagoane dintre care doar 10 sunt motoare, au atins viteza maximă de 270 km/h.

a) tracţiune

b) frânare reostatică

Fig.11.47 Schema circuitelor electrice principale ale unei locomotive tiristorizate cu reglaj de fază şimotoare de tracţiune cu excitaţie mixtă

7= transformatorul principal; 12 = redresoare de tracţiune; 13 = bobine de netezire; 14 = bobine de comutaţie; 17 = motoare de tracţiune cu excitaţie mixtă; 20 = rezistenţe de frânare; 30 = redresor pentru

alimentarea separată a excitaţiilor derivaţie (înseriate) ale motoarelor de tracţiune;

Page 140: 83365264 Tractiune Electrica Curs

139

Locomotiva cu punţi semicomandate, înseriate, comandate secvenţial. În fig.11.47 este reprezentată schema de forţă (poz. a = regim de tracţiune şipoz. b = frânare reostatică) a unei locomotive tiristorizate (cu punţi redresoare semicomandate, înseriate şi comandate secvenţial) cu motoare de tracţiune de c.c. cu excitaţie mixtă.

Tehnologia utilizată este tipică anilor 80 care, în cazul alimentării la linia de contact de 15 kV, 16 ⅔ Hz a permis atingerea vitezei maxime de 200 km/h cu locomotive de 5148 kW (putere continuă), puterea uniorară fiind de 5400 kW.

11.7.2 LRE alimentate din LC de c.c.

Locomotivele şi ramele electrice echipate cu motoare de tracţiune de c.c. şialimentate din LC de c.c. (la 3,0 kV sau la 1,5 kV sau la 0,75 kV) au obligatoriu un filtru de reţea şi folosesc reglajul cu VTC-ul al tensiunii de alimentare a motoarelor de tracţiune ca în exemplele de mai jos. 1. Rama electrică (B’0B’0 + B’02’ +2’2’+2’2’) pentru un tren Intercity cu VTC la 1,5 kV. În fig.11.48 este ilustrată la poz. a) schema de principiu, (modularizată) a ramei electrice cu VTC-uri, iar la poz. b) este dată, în detaliu, structura unui modul (de tip A1, A2 sau A3) cu câte 2 VTC-uri legate în paralel care alimentează câte un grup de 2 motoare de tracţiune, de tip serie, legate în serie.

a)

b)

Fig.11.48 Schema de principiu a unei rame electrice cu VTC-uri alimentate la 1,5 kV A = bloc VTC; M1. . . M6 = motoare de tracţiune; TM = grup motor (2 motoare înseriate);

R = rezistenţe de şuntare a excitaţiilor; L1-C1 = filtru de intrare; L3 = bobină de netezire.

Page 141: 83365264 Tractiune Electrica Curs

140

Ramele electrice (cu 6 osii motoare) cu 6 motoare de tracţiune cu o putere continuă totală de 1872 kW (şi o putere uniorară de 2058 kW) asigură o vitezămaximă de 160 km/h a trenurilor Intercity. Cuplarea în unităţi multiple (5 rame / tren) se face cu restricţia ca numărul vagoanelor de călători să fie limitat întotdeauna la 15. Astfel de trenuri Intercity circulă în Olanda asigurând, între altele şi legătura Amsterdam – Aeroportul Schipool. 2. Locomotiva electrică E633 cu VTC la 3 kV. În fig.11.49 este reprezentată schema de principiu a locomotivei E633 din reţeaua FS, de tipul B’B’B’ alimentată la LC de c.c. de 3 kV cu VTC-uri cu limitarea tensiunii motoarelor de tracţiune (VTC-urile nu funcţionează niciodată cu undă plină). Motoarele de tracţiune sunt de 2 kV cu excitaţie separată imagine serie. Cu o putere continuă de 5,38 MW şi un raport de transmisie i = 1,778, locomotivele E633 pot circula cu o viteză de 160 km/h şi se folosesc la tractarea trenurilor rapide de călători.

a) tracţiune 25 kV, 50 Hz

Fig.11.49 Schema circuitelor electrice principale ale locomotivei E633 de tipul B’B’B’ L-C = filtru de intrare; M = motor de tracţiune; RF = rezistenţe de frânare.

Page 142: 83365264 Tractiune Electrica Curs

141

b) tracţiune 1,5 kV

c) frânare reostatică

Fig.11.50 Schema de forţă a trenului TGV-PSE TP = transformator; RT = redresor de tracţiune; HP = VTC de tracţiune/frânare;

HE = VTC de excitaţie; M = motor de tracţiune; RF = rezistenţa de frânare; BA = baterie acumulatori; CVS = convertor static pentru servicii auxiliare; SL = bobină de netezire.

11.7.3 LRE cu alimentare policurent

Ca exemplu, în fig.11.50 este reprezentată schema circuitelor electrice principale ale vagonului motor de capăt al trenului electric de mare viteză TGV-PSE cu formula osiilor B’0B’0 + B’02’ +6 x 2’2’+2’B’+ B’0B’0 din dotarea SNCF, tren alimentat atât de la LC de 25 kV, 50 Hz cât şi de la LC de c.c. la 1,5 kV. Puterea continuă a unui tren TGV-PSE este de 6450 kW (sub LC de 25 kV, 50 Hz) şi de 3100 kW (sub LC de 1,5 kV c.c.). Sub LC de c.a. de 15 kV şi 16⅔Hz, puterea continuă se reduce faţă de primul caz aproximativ proporţional cu raportul tensiunilor (adică în raportul 15/25). Ca remarcă, la TGV-PSE, motoarele de tracţiune sunt fixate direct de şasiul cutiei şi nu de cadrul boghiului. În regim de frânare electrică, reglarea forţei de frânare se face atât din excitaţiile motoarelor de tracţiune (înseriate câte două şi alimentate de la câte un VTC de excitaţie) cât şi cu ajutorul rezistenţelor de frânare RF, reglate electronic (individual). Cu această motorizare, TGV-PSE a deţinut recordul mondial de viteză de 382 km/h din anul 1981 şi până în 1988.